CN109061472A - 多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，包括底座，在底座上设置左前、左后、右前和右后电机定子支撑架，四台轮毂电机安装在电机定子支撑架上，每个轮毂电机有独立的负载施加装置，分别与左前轮毂电机和右前轮毂电机相连的左前传动轴和右前传动轴之间可通过前扭矩传感器联接，分别与左后轮毂电机和右后轮毂电机相连的左后传动轴和右后传动轴之间可通过后扭矩传感器联接，左前传动轴和左后传动轴上的两个传动轮可通过左传送带联接在一起，右前传动轴和右后传动轴上的两个传动轮可通过右传送带联接在一起，每台轮毂电机由独立的控制器控制运行，本发明可用于多台外转子轮毂电机协调运动工况下的功能和性能测试。

Description

多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台

技术领域

本发明涉及了轮毂电机性能测试领域，特别涉及一种多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台。

背景技术

随着新能源汽车电机驱动技术的进步，近年来，作为新能源汽车核心的轮毂电机越来越受到关注与重视。轮毂电机又称车轮内装电机，其最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，将电机的动力直接传递至车轮，使电动车辆的机械传动系统大大简化，整车结构更为紧凑，传动效率更高，并具有灵活、精确的控制特性，是当前高效电驱动系统中一个重要的研究方向。在电池技术未获得根本性突破的条件下，大功率高效率的轮毂电机可有效提高电动汽车的续航里程。由于轮毂电机增加了轮子质量和体积，从而增大了簧下质量和轮毂的转动惯量，对车辆的操控有一定影响，所以该电机更适用于机场摆渡车、城市公交车等较大型车辆及后轮驱动的车辆。

轮毂电机的最大特点是不需要变速箱，但是能够提供车辆所需要的低速时的大扭矩。新能源汽车的发展日新月异，由轮毂电机组成的驱动系统的平均效率能够达到86%以上，远超普通的带有齿轮箱的驱动系统的传动效率。轮毂电机在电动机场摆渡车、机场大巴、公交车等大中型、中低速城市车辆上的应用，并逐渐推广到其他纯电动城市客车上，将会产生较大社会效益和经济效益。

由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性，因此无论是前驱、后驱还是四驱形式，它都可以实现，全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向。

轮毂电机的各种特性曲线是汽车车辆设计者进行驱动设计的依据，因此，应用于新能源汽车的轮毂电机必须具备较为详尽的测试信息，以证明其特性，方便用户的选型与使用。目前电动汽车用的轮毂电机由于各厂家、研究机构采用的车轮轮毂不同，设计思路各异，导致轮毂电机没有统一的制式标准，虽然电机厂家提供了性能参数，但与实际性能差别较大。因此需要电机研制者或使用者进行详细地试验，以获取电机性能参数，为开发新能源辆提供基础数据。

目前已有的电机测试平台主要针对单台电机或两台电机，采用电机对拖的形式测试电机电气参数，如韩国电工技术研究所的测试平台，中国科学院电工研究所的电机测试平台、M. Takeda等在文章“Development of the Experiment Platform for ElectricVehicles by using Motor Test Bench with the Same Environment as the ActualVehicle”中给出的测试平台，而无法满足用于新能源汽车的多台外转子轮毂电机协调控制和性能测试需求，更难满足电机控制器一体化的轮毂电机驱动整车系统功能和性能测试。同样，中国专利CN204882827 U公开的一种轮毂电机测试平台，包括支架、用于与轮毂电机相连的卡具、扭矩输出轴、支撑轴承、动态扭矩传感器、控制系统，所述动态扭矩传感器、支撑轴承分别设置在支架上；所述扭矩输出轴穿过支撑轴承，所述扭矩输出轴的两端分别与卡具、动态扭矩传感器相连，所述动态扭矩传感器与控制系统相连，所述卡具能带动扭矩输出轴相对支撑轴承转动，所述动态扭矩传感器能测定扭矩输出轴的扭矩。应用该测试平台仅能对一台电机的性能进行检测，无法满足电机控制器一体化的轮毂电机驱动整车系统功能和性能测试。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有电机测试平台对电机性能测试的局限性，解决多台外转子轮毂电机协调运动工况下的功能和性能测试问题，提供一种轮毂电机综合测试平台，该平台可用于多台电机控制器集成一体化的轮毂电机协调控制功能和性能的测试，也可满足一台电机进行多项性能和功能测试。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：

一种多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，包括底座，在底座两侧平行设置有左支座和右支座，左支座的前后两端分别固定有左前电机定子支撑架和左后电机定子支撑架，右支座的前后两端分别固定有右前电机定子支撑架和右后电机定子支撑架，四台轮毂电机分别安装在左前、左后、右前和右后电机定子支撑架上，每个轮毂电机设置有独立的负载施加装置，每个传动轴上可装配传动轮，分别与位于左支座和右支座前端的左前轮毂电机和右前轮毂电机相连的左前传动轴和右前传动轴之间可通过前扭矩传感器联接，分别与位于左支座和右支座后端的左后轮毂电机和右后轮毂电机相连的左后传动轴和右后传动轴之间可通过后扭矩传感器联接，装配在左前传动轴和左后传动轴上的两个传动轮可通过左传送带联接在一起，装配在右前传动轴和右后传动轴上的两个传动轮可通过右传送带联接在一起，在左传送带和右传送带下方分别设有调节传动带的张紧力的传动带张紧轮；每台轮毂电机由独立的控制器控制运行。

所述负载施加装置包括制动盘和制动夹钳，制动夹钳与制动盘配合，制动盘一端与轮毂电机的外转子轴联接，另一端经传动法兰与传动轴连接。

每台轮毂电机的外转子单独运动，可对一台电机进行多项性能和功能测试。

左支座上的左前轮毂电机和左后轮毂电机通过安装在左前传动轴和左后传动轴上的两个传动轮及左传送带协调运动；或/和右支座上的右前轮毂电机和右后轮毂电机通过安装在右前传动轴和右后传动轴上的两个传动轮及右传送带协调运动。

由左传动带联接的两个传动轮或由右传送带联接的两个传动轮其外径相同或不同，前后两个传动轮外径不同时，可以形成前后轮间的轮速差，以保持前后轮的转速为一定比例，模拟车辆过弯时的内外轮速差。

右支座上的右前轮毂电机的外转子在轴向通过前扭矩传感器与左支座上的左前轮毂电机的外转子联接，作为主动轮的轮毂电机外转子拖动作为被动轮的轮毂电机外转子运动，通过前扭矩传感器测量主动轮的轮毂电机与被动轮的轮毂电机之间的转矩；和/或右支座上的右后轮毂电机的外转子在轴向通过后扭矩传感器与左支座上的左后轮毂电机的外转子联接，作为主动轮的轮毂电机外转子拖动作为被动轮的轮毂电机外转子运动，通过前扭矩传感器测量主动轮的轮毂电机与被动轮的轮毂电机之间的转矩。

每台轮毂电机由独立的变流控制器控制运行，变流控制器置于电机轮内部。

轮毂电机采用变流控制器外置形式，由一台变流控制器同时控制并联接入变流控制器的四台轮毂电机运行。

本发明的有益效果是，能够有效满足轮毂电机的测试需要，以及多台轮毂电机协调控制，同时本发明结构简单，测试灵活，可以针对电动车整车实际工况进行多项性能和功能测试，具有较好的精确性、实时性和适应性，能够满足不同尺寸、不同负载下轮毂电机的测试需求。本发明能够实现1台至4台轮毂电机的性能测试，尤其是4台轮毂电机的协调控制算法的验证，弥补自然环境中试验场地和试验装置的选取和配置困难的问题。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明二维示意图。

图2是本发明三维示意图。

图3是变流控制器的一种具体实现电路。

图4是图3所示的变流控制器电路与外置控制器的连接示意图。

图5是图4中的外置控制器的电路原理框图。

图中，1右支座，2左支座，3右前电机定子支撑架，4右后电机定子支撑架，5左前电机定子支撑架，6左后电机定子支撑架，10底座，11右前轮毂电机，12右后轮毂电机，13左前轮毂电机，14左后轮毂电机，21、22、23、24制动盘，31、32、33、34传动法兰，41、42、43、44传动轮，51右前传动轴，52右后传动轴，53左前传动轴，54左后传动轴，60前扭矩传感器，61后扭矩传感器，62右传动带、63左传动带、65右传动带张紧轮、66左传动带张紧轮，71、72、73、74制动夹钳，81、82、83、84制动夹钳压力管。

具体实施方式

本发明的一种多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台包括底座10和设置在底座10上用于支撑待测轮毂电机的支座1、2，底座10平放在平整的地面上，左支座2和右支座1安放在底座10上，并分别布置在底座10的左右两侧，通过螺栓与底座10固定，左支座2与右支座1平行布置。左支座2的前后两端分别固定有左前电机定子支撑架5和左后电机定子支撑架6，左前电机定子支撑架5和左后电机定子支撑架6经左支座2固定为一个整体，同样，右支座1的前后两端分别固定有右前电机定子支撑架3和右后电机定子支撑架4，右前电机定子支撑架3和右后电机定子支撑架4经右支座1固定为一个整体。左前电机定子支撑架5、左后电机定子支撑架6、右前电机定子支撑架3和右后电机定子支撑架4分别可支撑固定一个轮毂电机，为了描述方便，将固定在左前电机定子支撑架5、左后电机定子支撑架6、右前电机定子支撑架3和右后电机定子支撑架4的四个轮毂电机分别称为左前轮毂电机13、左后轮毂电机14、右前轮毂电机11和右后轮毂电机12。

每个轮毂电机11、12、13、14设置有独立的负载施加装置，负载施加装置包括制动盘21、22、23、24和制动夹钳71、72、73、74，制动夹钳71、72、73、74与制动盘21、22、23、24配合，制动盘21、22、23、24一端与轮毂电机11、12、13、14的外转子轴联接，另一端经传动法兰31、32、33、34与传动轴51、52、53、54连接。制动夹钳71与制动盘21相配合、制动夹钳72与制动盘22相配合、制动夹钳73与制动盘23相配合、制动夹钳74与制动盘24相配合通过调节制动夹钳71、72、73、74作用于制动盘21、22、23、24的夹紧力，分别调节作用于右前轮毂电机11、右后轮毂电机12、左前轮毂电机13和左后轮毂电机14外转子的负载阻力大小。制动夹钳的夹紧力通过外部制动夹钳压力管81、82、83、84的一端分别与制动夹钳71、72、73、74联接，另一端分别接入外部的制动压力控制器，外部的制动压力控制器可以是液压形式或气压形式。通过制动钳71、72、73、74分别作用于相应的制动盘21、22、23、24，以机械摩擦的方式施加阻力负载，以模拟实际运行时走行轮需克服的滚动阻力、坡度阻力等。

左前轮毂电机13和右前轮毂电机11的外转子分别与左前传动轴53和右前传动轴51连接，左前传动轴53和右前传动轴51通过前扭矩传感器60联接，左后轮毂电机14和右后轮毂电机12外转子分别与左后传动轴54和右后传动轴52连接，左后传动轴54和右后传动轴52可通过后扭矩传感器61联接。左前轮毂电机13的外转子在轴向通过前扭矩传感器60与右前轮毂电机11的外转子联接，可实现作为主动轮的一侧轮毂电机外转子拖动另一侧作为被动轮的一侧轮毂电机外转子，并能够通过前转矩传感器60测量转矩。同理，左后轮毂电机14的外转子在轴向通过后扭矩传感器61与右后轮毂电机12的外转子联接，可实现作为主动轮的一侧轮毂电机外转子拖动另一侧作为被动轮的一侧轮毂电机外转子，并能够通过后转矩传感器61测量转矩。平行设置的轮毂电机外转子间的前扭矩传感器60和后扭矩传感器61拆卸方便，可以根据实验需要在现场安装连接或卸除不用。

装配左前传动轴53和左后传动轴54上的两个传动轮43、44可通过左传送带联接在一起，装配在右前传动轴51和右后传动轴52上的两个传动轮41、42可通过右传送带联接在一起，两副右传动带张紧轮65设置在右传动带62下方，两副左传动带张紧轮66设置在左传动带63下方，用螺栓将左传送带张紧轮66和右传动带张紧轮65固定于平台底座10的工装上，可以分别调节左传动带63和右传送带62的张紧力。调节左前轮毂电机13和左后轮毂电机14之间的左传动带63的张紧力，调节右前轮毂电机11和右后轮毂电机12之间的右传动带62的张紧力，可分别模拟左侧前后两台轮毂电机轮的滑转率和右侧前后两台轮毂电机轮的滑转率。左传送带63和右传送带62拆卸方便，可以根据实验需要在现场安装连接或拆除。

左传动带63和右传送带62由制动夹钳71、72、73、74的外侧通过，在空间上传送带62、63与制动夹钳71、72、73、74没有干涉。通过制动夹钳71、72、73、74对运行中的轮毂电机11、12、13、14施加负载转矩，以模拟实际运行时走行轮需克服的滚动阻力、坡度阻力等。

车辆过弯时的内外有轮速差，本发明用安装在同一副支座上的前后两台轮毂电机的外转子轮间的不同外径的传动轮41和传动轮42、传动轮43和传动轮44，以及右传动带62和左传送带63实现轮速差，以保持前后轮的转速为一定比例。为实现前后传动轮间轮速差，可使联接在一起的传动轮的凹槽深度有所不同，以形成不同的轮外径。

每台轮毂电机独立的变流控制器控制运行，变流控制器置于电机轮内部。每台轮毂电机的外转子可以单独运动，也可以通过由右传动带62联接在一起的右前传动轮41和右后传动轮42，由左传动带63联接在一起的左前传动轮43和左后传动轮44、由一台轮毂电机带动另外一台轮毂电机协调运动，即左前轮毂电机13/左后轮毂电机14带动左后轮毂电机14/左前轮毂电机13，右前轮毂电机11/右后轮毂电机12带动右后轮毂电机12/右前轮毂电机11运动；或者通过由前扭矩传感器60联接在一起的传动轴51和传动轴52，由扭矩传感器61联接在一起的传动轴53和54，由一台轮毂电机带动另外一台轮毂电机协调运动。

变流控制器的具体实现形式可以采用如下电路：如图3所示，内置控制器200、电源模块300、电源电压检测单元300-1、电流传感器400-1、霍尔传感器400-2、温度传感器400-3。内置控制器200包括FPGA芯片201、ADC模块202、变流器203，变流器203与FPGA芯片201连接，ADC模块202的输出端与FPGA芯片201连接。电源模块300的电源输出端与FPGA芯片201、ADC模块202连接，电源模块300用于向各个单元提供电源。变流器203的交流电压输出端与轮毂电机连接。电源电压检测单元300-1的输入端与电源模块300连接，输出端与ADC模块202的输入端连接。电流传感器400-1、霍尔传感器400-2和温度传感器400-3的输出端分别与ADC模块202的输入端连接。电流传感器400-1用于检测轮毂电机的绕组电流，其输出的模拟量电流信号传输给ADC模块202，转换为数字量电流信号再传输给FPGA芯片201。电流传感器400-1与变流器203输出端和轮毂电机之间的电线连接匹配，通常配置两个电流传感器400-1从而检测两相电流。霍尔传感器400-2用于检测轮毂电机的位置信号或转速信号，其输出的模拟量信号传输给ADC模块202，转换为数字量信号再传输给FPGA芯片201。霍尔传感器400-2安装在轮毂电机的定子上，对于外转子轮毂电机，霍尔传感器安装在内定子上，对于内转子轮毂电机，霍尔传感器安装在外定子上。温度传感器400-3用于检测轮毂电机的绕组温度，其输出的模拟量温度信号传输给ADC模块202，转换为数字量温度信号再传输给FPGA芯片201。温度传感器400-3可以安装在轮毂电机的转子上，也可以安装在轮毂电机的定子上。电源电压检测单元300-1用于检测电源模块300的输出电压。

如图4所示，可以配置外置控制器，外置控制器不安装在轮毂电机上，而是设置在测试平台之外；外置控制器100通过高速光纤与FPGA芯片201连接，使用高速光纤不受电机运行时电磁干扰的影响，能实现较长距离传输。如图5所示，外置控制器100包括DSP芯片101、人机交互单元102和输入输出信号处理电路103，DSP芯片101与FPGA芯片201通过高速光纤进行信号传输以及数据交换。外置控制器100主要实现监控、显示功能，以及轮毂电机闭环控制算法的实现，外置控制器100，主控制芯片采用适用于电机控制用的DSP芯片。由DSP芯片11来控制FPGA芯片201工作。

本发明轮毂电机还可以是变流控制器外置形式，由一台变流控制器同时控制并联接入变流控制器的四台轮毂电机运行，四台轮毂电机的外转子同时运动、协调工作，四台轮毂电机轮不通过机械联接与其他轮毂电机轮联接，独自运行；机械联接时协调运动。

本发明对轮毂电机的控制采用变流控制器控制，变流控制器置于电机轮内部和采用变流控制器外置形式二者只是变流控制器位置不同，对四个轮毂电机的控制效果是一样的，即（1）四个轮毂电机可单独运动，（2）四个轮毂电机同时运动，（3）左前轮毂电机与左后轮毂电机协调，（4）右前轮毂电机与右后轮毂电机协调，（5）左前轮毂电机与右前轮毂电机协调，（6）左后轮毂电机与右后轮毂电机协调。变流控制器可采用基于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或其他功率开关器件组成的两电平或多电平拓扑电路结构，借助于编码器或霍尔位置检测单元等检测电机转子位置，并将转子位置、电机温度等信号通过通信电缆发送到控制器，然后通过嵌入在控制芯片内部控制算法发出对功率器件的控制信号，实现对电机电流的控制、进而实现对电机转子速度和位置的控制。

本发明平台底座10采用槽钢焊接工艺加工制造，结构能够满足两套走行轮机构、共四台轮毂电机同时运转的强度要求。左支座2和右支座1采用槽钢焊接工艺加工制造，或铸铝加工工业制造，结构强度能够满足两台轮毂电机同时运转的强度要求。传动带62、63采用皮带传动方式，也可以采用其他材料的传动带。

轮毂电机控制系统主要有多套放置于电机内部的变流器主功率单元、变流器驱动单元、电机内部的温度和位置信号实时采集单元、连接电机内部和外部控制器的通信电缆、电机轮外部的电机控制装置。轮毂电机控制系统是本领域的技术人员早已熟知的；且由于本发明之改进是在轮毂电机测试平台的机械构造方面，所以对上述问题不再赘述。

Claims (9)

1.一种多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，包括底座，在底座两侧平行设置有左支座和右支座，其特征是左支座的前后两端分别固定有左前电机定子支撑架和左后电机定子支撑架，右支座的前后两端分别固定有右前电机定子支撑架和右后电机定子支撑架，四台轮毂电机分别安装在左前、左后、右前和右后电机定子支撑架上，每个轮毂电机设置有独立的负载施加装置，每个传动轴上可装配传动轮，分别与位于左支座和右支座前端的左前轮毂电机和右前轮毂电机相连的左前传动轴和右前传动轴之间可通过前扭矩传感器联接，分别与位于左支座和右支座后端的左后轮毂电机和右后轮毂电机相连的左后传动轴和右后传动轴之间可通过后扭矩传感器联接，装配在左前传动轴和左后传动轴上的两个传动轮可通过左传送带联接在一起，装配在右前传动轴和右后传动轴上的两个传动轮可通过右传送带联接在一起，在左传送带和右传送带下方分别设有调节传动带的张紧力的传动带张紧轮。

2.根据权利要求1所述的多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，其特征是所述负载施加装置包括制动盘和制动夹钳，制动夹钳与制动盘配合，制动盘一端与轮毂电机的外转子轴联接，另一端经传动法兰与传动轴连接。

3.根据权利要求1或2所述的多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，其特征是左支座上的左前轮毂电机和左后轮毂电机通过安装在左前传动轴和左后传动轴上的两个传动轮及左传送带协调运动；或/和右支座上的右前轮毂电机和右后轮毂电机通过安装在右前传动轴和右后传动轴上的两个传动轮及右传送带协调运动。

4.根据权利要求3所述的多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，其特征是由左传动带联接的两个传动轮或由右传送带联接的两个传动轮其外径相同或不同。

5.根据权利要求1或2所述的多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，其特征是右支座上的右前轮毂电机的外转子在轴向通过前扭矩传感器与左支座上的左前轮毂电机的外转子联接，作为主动轮的轮毂电机外转子拖动作为被动轮的轮毂电机外转子运动，通过前扭矩传感器测量主动轮的轮毂电机与被动轮的轮毂电机之间的转矩；和/或右支座上的右后轮毂电机的外转子在轴向通过后扭矩传感器与左支座上的左后轮毂电机的外转子联接，作为主动轮的轮毂电机外转子拖动作为被动轮的轮毂电机外转子运动，通过前扭矩传感器测量主动轮的轮毂电机与被动轮的轮毂电机之间的转矩。

6.根据权利要求1所述的多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，其特征是每台轮毂电机由独立的变流控制器控制运行，变流控制器置于电机轮内部。

7.根据权利要求1所述的多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，其特征是轮毂电机采用变流控制器外置形式，由一台变流控制器同时控制并联接入变流控制器的四台轮毂电机运行。

8.根据权利要求6或7所述的多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，其特征是变流控制器包括FPGA芯片、ADC模块和变流器，所述变流器与FPGA芯片连接，所述ADC模块的输出端与FPGA芯片连接。

9.根据权利要求8所述的多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台，其特征是，所述多台外转子永磁轮毂电机综合测试平台还包括外置控制器，外置控制器包括DSP芯片、人机交互单元和输入输出信号处理电路，DSP芯片与FPGA芯片通过高速光纤连接通信。