CN112557902A - 一种轮毂电机系统动态综合性能测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮毂电机系统动态综合性能测试平台,属于电机技术领域,通过加载装置给驱动轮施加垂直载荷以模拟车辆自重;通过激振器和加载电机来分别模拟路况和工况;利用各类传感器采集轮毂电机运行时的多物理量动态参数;利用飞轮惯性储能实现轮毂电机牵引或加速过程的动态模拟,利用飞轮惯性释能实现轮毂电机制动或减速过程的动态模拟,释放的能量可通过加载电机配套变频器回馈给电网,进而实现能量的高效利用。如此,本发明的整个测试平台模拟测试范围广,结果真实可靠,推广性强,解决了现有技术无法对轮毂电机进行复杂工况模拟和动态测试的问题,具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域,具体涉及一种轮毂电机系统动态综合性能测试平台。
背景技术
轮毂电机是以电动汽车为代表的新能源汽车的核心部件,根据商务部发布数据,我国汽车销售产量已连续11年稳居世界首位,当前全国汽车保有量大约为2.6亿辆。但是,截止2019年底,我国的新能源汽车保有量只约占汽车总量的1.49%。随着国家政策的推进,新能源汽车取代传统燃料汽车的已是无不可逆转的趋势。
轮毂电机领域的技术突破对新能源汽车尤其是电动汽车掌握市场先机、占领我国及世界范围内的市场份额具有重要意义,其直接经济效益巨大。轮毂电机技术在军事、农业、消防、服务等行业都具有潜在的应用价值,其间接经济效益也相当显著。此外轮毂电机关键技术的突破必将推动新能源汽车等相关产业向着低碳化方向发展,逐步降低传统能源汽车对环境生态的影响,有效的发挥其节能减排作用。在可预计的未来,轮毂电机市场十分巨大,并将继续蓬勃发展。
虽然轮毂电机行业迅猛发展,但与此形势相矛盾的是,与轮毂电机测试相关的行业却相对落后,甚至停滞不前。目前生产轮毂电机的各厂家、研究机构采用的车轮轮毂不同,且设计思路各异,没有统一的制式标准,所以市场需要一个专业快速且能够对轮毂电机进行全方面动态测试的平台。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求,本发明提供了一种轮毂电机系统动态综合性能测试平台,其目的在于解决现有技术无法对轮毂电机进行复杂工况模拟和动态测试的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种轮毂电机系统动态综合性能测试平台,包括:
驱动轮;
内嵌于所述驱动轮的轮毂电机;
与所述轮毂电机电气连接以控制所述轮毂电机的启停以及运行转速的第一驱动装置;
与所述驱动轮轴连接的加载装置,压力传感器,激振器;其中,所述压力传感器用于测量所述加载装置向所述驱动轮传递的压力,所述激振器用于模拟不同路况;
陪试轮,所述陪试轮与所述驱动轮相接触,以使所述驱动轮带动所述陪试轮转动;
与所述陪试轮依次轴连接的转速转矩传感器、加载电机、飞轮,与所述加载电机电气连接以驱动所述加载电机的第二驱动装置;其中,所述转速转矩传感器用于测量所述陪试轮的转速和转矩,所述加载电机用于模拟不同工况,所述飞轮用于模拟不同惯量。
进一步地,还包括:
增速器,所述增速器位于所述加载电机和所述飞轮之间,以在所述轮毂电机额定转速较小时,升高所述飞轮的转速。
进一步地,所述增速器为平行轴式,水平布置,且采用渐开线式斜齿圆柱齿轮,通过单级齿轮传动。
进一步地,还包括:
套设在所述轮毂电机定子铁芯外周的冷却装置,所述冷却装置采用循环水冷的冷却结构。
进一步地,所述加载装置通过螺旋传动机构向所述驱动轮传递压力。
进一步地,所述螺旋传动机构由螺母、螺杆组成,滑动螺旋能够实现自锁;通过所述螺母、螺杆,将螺旋运动转换为直线运动给所述驱动轮施加载荷。
进一步地,所述转速转矩传感器与所述陪试轮输出轴相连,并采用光电码盘的方法测量转速和转矩;当测速码盘连续旋转时,通过光电开关输出具有一定周期宽度的脉冲信号,根据输出信号的频率和码盘的齿数,计算相应的转速;在有效量程范围内,根据转矩与输出的频率成线性关系,计算出相应的转矩。
进一步地,所述驱动轮与所述陪试轮内均设置有轴承,所述陪试轮与所述飞轮之间通过轴传动。
进一步地,所述压力传感器采用电阻应变式传感器。
进一步地,所述陪试轮和所述飞轮之间连接有所述加载电机,通过所述加载电机对所述轮毂电机进行加载以模拟不同工况;所述加载电机的功率P2、所述轮毂电机的恒功率P1、所述飞轮的等效功率P3满足:
P2=P1-P3
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案,能够取得以下有益效果:
(1)本发明通过加载装置给驱动轮施加垂直载荷以模拟车辆自重;通过激振器和加载电机来模拟车辆在平坦、坑洼、碎石、突然凸起/凹坑、上下坡等路面上加/减速、匀速行驶、转弯等典型工况;利用各类传感器采集轮毂电机运行时的多物理量动态参数;利用飞轮惯性储能实现轮毂电机牵引或加速过程的动态模拟,利用飞轮惯性释能实现轮毂电机制动或减速过程的动态模拟,释放的能量可通过加载电机配套变频器回馈给电网,进而实现能量的高效利用。如此,本发明的整个测试平台模拟测试范围广,结果真实可靠,推广性强,解决了现有技术无法对轮毂电机进行复杂工况模拟和动态测试的问题,具有很好的应用前景。
(2)本发明通过在飞轮的输入端连接一增速器,使得在被测试轮毂电机转速较低的情况下,升高飞轮的转速,从而保证减少飞轮的体积和质量的同时,不影响对汽车惯性能的模拟。
(3)本发明中加载装置使用螺旋传动机构向轮毂电机传递压力,可以方便的将主动件的旋转运动转化为从动件的直线运动,螺旋传动机构由螺母、螺杆组成,且滑动螺旋能够实现自锁。运用在垂直载荷模拟机构上时,通过螺母、螺杆,将螺旋运动转换为直线运动给电动轮施加载荷。
附图说明
图1为本发明提供的一种轮毂电机系统动态综合性能测试平台结构示意图;
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构,其中:
1为第一驱动装置;2为轮毂电机;3为冷却装置;4为驱动轮;5为加载装置;6为压力传感器;7为激振器;8为陪试轮;9为转速转矩传感器;10为加载电机;11为第二驱动装置;12为增速器;13为飞轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1,为本发明提供的一种轮毂电机系统动态综合性能测试平台结构示意图,平台包括轮毂电机系统和陪试系统,其中轮毂电机系统包括第一驱动装置1、轮毂电机2、冷却装置3和驱动轮4,陪试系统包括加载装置5、压力传感器6、激振器7、陪试轮8、转速转矩传感器9、加载电机10、第二驱动装置11、增速器12、飞轮13。
具体的,第一驱动装置1直接与轮毂电机2相连,控制轮毂电机2的启动和制动以及运行的转速;轮毂电机2内嵌于驱动轮4。
冷却装置3采用循环水冷的冷却结构,水冷结构采用定子水冷,套在轮毂电机2定子铁芯外周,冷却液从进水口流入,从出水口流出,外接水泵和水箱构成水循环系统。
加载装置5连接在驱动轮4的连接轴处,对驱动轮4施加垂直载荷,以模拟车辆在真实路面上的车辆自重,通过改变垂直载荷可以模拟车辆空载或满载等情况。加载装置5使用螺旋传动机构向轮毂电机2传递压力,可以方便的将主动件的旋转运动转化为从动件的直线运动,螺旋传动机构由螺母、螺杆组成,且滑动螺旋能够实现自锁;运用在垂直载荷模拟机构上时,通过螺母、螺杆,将螺旋运动转换为直线运动给电动轮施加载荷。
为了控制加载装置5对轮毂电机2传递压力的大小,需要将加载的压力测量出来,在加载装置5和驱动轮4之间连接压力传感器6来测量轮毂电机2上被施加的垂直载荷,压力传感器6可采用电阻应变式传感器。
激振器7通过转接轴连接在驱动轮4的连接轴处,激振器7可以采用盘式电机来实现给轮毂电机2施加垂直方向的振动以模拟车辆在不平坦路面上的行驶情况。
陪试轮8采用空心钢制结构,直接与驱动轮4相接触,陪试轮8连接飞轮13作为惯量模拟装置,用以模拟路面和部分整车惯量。
转速转矩传感器9与陪试轮8输出轴相连,传感器转速和转矩测量采用光电码盘的方法进行测量,当测速码盘连续旋转时,通过光电开关输出具有一定周期宽度的脉冲信号,根据输出信号的频率和码盘的齿数,算出相应的转速;在有效量程范围内,根据转矩与输出的频率成线性关系,可计算出相应的转矩。转速和转矩的测量为试验的控制提供数据。
加载电机10通过连接轴与转速转矩传感器9相连,第二驱动装置11对加载电机10进行控制,可模拟车辆不同的运行工况下存在的不同阻力特性,如加减速、转弯、上下坡等,达到测试轮毂电机动态综合性能的目的。
飞轮13作为机车试验中的主要惯性负载,模拟真实运行时的不同阻力特性。飞轮13采用实心圆盘型钢制结构,通过连接轴与加载电机10相连。利用飞轮惯性储能实现轮毂电机牵引或加速过程的动态模拟,利用飞轮惯性释能实现轮毂电机制动或减速过程的动态模拟,释放的能量可通过加载电机配套变频器回馈给电网,实现能量的高效利用。
在被测试轮毂电机转速较低的情况下,为了减少飞轮的体积和质量,同时又不影响对汽车惯性能的模拟,可以在在飞轮的输入端连接一增速器12,使飞轮的转速升高。增速器12为平行轴式,水平布置,采用渐开线式斜齿圆柱齿轮,单级齿轮传动。
下面以一台额定功率为45kW,最大功率为100kW,额定转速为1460r/min的轮毂电机为例对本发明进行说明。
首先对飞轮进行尺寸设计,本发明用以研究单个电动车轮,故只模拟四分之一车重,取汽车空载时车重为1000kg,汽车车轮滚动半径取为400mm,故模拟汽车重量m=250kg,汽车行驶速度所以汽车在道路上以额定速度行驶的总动能
飞轮采用实心圆盘型,则转动惯量的表达式为:陪试轮采用空心钢制结构,则转动惯量的表达式为飞轮和陪试轮的材料均选择Q235碳素钢,密度ρ=7800kg/m3,拉伸强度σh=1200MPa,比强度σh/ρ=1.54×105Pa/(kg/m3)。取陪试轮半径R1=300mm,陪试轮宽度B1=500mm,厚度D1=10mm。通过陪试轮惯量表达式可以计算出陪试轮的转动惯量在驱动轮以额定速度旋转时,陪试轮的角速度ω1=2πn0/60=2π×24.33=152.89rad/s,所以陪试轮转动能量设飞轮的转动动能若忽略其他旋转部件转动动能以及损耗的能量,则整个旋转部分所具有的转动动能为E1+E2。
整个实验台架满足E0=E1+E2,可以得到飞轮的转动动能E2=E0-E1-E3=467.59-73.52=394.07kJ,可以计算出飞轮的转动惯量取飞轮半径R2=400mm(该参数可根据具体情况选取),则根据转动惯量的表达式为:可计算得到飞轮宽度B2=100mm。按照限定公式进行验算:满足强度要求。
在使用增速器的情况下,为不影响对汽车惯性能的模拟且防止加载电机过速,选取增速器速比i=1.4,故飞轮旋转时最大角速度ω'2=ω2×1.4=158.89×1.4=213.96rad/s。计算过程同上,最终可算得飞轮转动惯量同样的,取飞轮半径r2=400mm(该参数可根据具体情况选取),则根据转动惯量的表达式为:可计算得到飞轮宽度B′2=54.89mm。此时计算得到的飞轮厚度相较于不连接增速器时有明显的减小,具体实施本发明时可具体比较增速器增加的成本和飞轮节约的成本,选择最优的实施方案。
若使用加载电机可模拟电动汽车上下坡、加/减速、匀速行驶、转弯等典型工况。以实验要求模拟电动汽车在路面上加速5s(轮毂电机转速从200r/min上升到1000r/min)为例计算加载电机需要的功率。
加载电机的功率P2由轮毂电机恒功率P1和飞轮的等效功率P3决定:
P2=P1-P3
所述飞轮的等效功率由陪试轮最高角速度ωMAX、陪试轮持续速度ωN、陪试轮转动惯量J0、轮毂电机恒功率运行时间t决定:
所需加载电机的功率P2=P1-P3=45-35.49=9.51kW,所以选择额定功率为10kW、额定转速为1460r/min的加载电机即可满足要求。
通过加载电机可以给轮毂电机添加不同的负载以模拟不同路况下所需要的阻力,同时加载电机可以工作在发电和电动两种模式,如在模拟车辆加速时给轮毂电机提供负载,在模拟车辆减速时工作在发电模式并通过配套变频器回馈至电网,实现能量的高效利用。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种轮毂电机系统动态综合性能测试平台,其特征在于,包括:
驱动轮(4);
内嵌于所述驱动轮(4)的轮毂电机(2);
与所述轮毂电机(2)电气连接以控制所述轮毂电机(2)的启停以及运行转速的第一驱动装置(1);
与所述驱动轮(4)轴连接的加载装置(5),压力传感器(6),激振器(7);其中,所述压力传感器(6)用于测量所述加载装置(5)向所述驱动轮(4)传递的压力,所述激振器(7)用于模拟不同路况;
陪试轮(8),所述陪试轮(8)与所述驱动轮(4)相接触,以使所述驱动轮(4)带动所述陪试轮(8)转动;
与所述陪试轮(8)依次轴连接的转速转矩传感器(9)、加载电机(10)、飞轮(13),与所述加载电机(10)电气连接以驱动所述加载电机(10)的第二驱动装置(11);其中,所述转速转矩传感器(9)用于测量所述陪试轮(8)的转速和转矩,所述加载电机(10)用于模拟不同工况,所述飞轮(13)用于模拟不同惯量。
2.如权利要求1所述的轮毂电机系统动态综合性能测试平台,其特征在于,还包括:
增速器(12),所述增速器(12)位于所述加载电机(10)和所述飞轮(13)之间,以在所述轮毂电机(2)额定转速较小时,升高所述飞轮(13)的转速。
3.如权利要求2所述的轮毂电机系统动态综合性能测试平台,其特征在于,所述增速器(12)为平行轴式,水平布置,且采用渐开线式斜齿圆柱齿轮,通过单级齿轮传动。
4.如权利要求1所述的轮毂电机系统动态综合性能测试平台,其特征在于,还包括:
套设在所述轮毂电机(2)定子铁芯外周的冷却装置(3),所述冷却装置(3)采用循环水冷的冷却结构。
5.如权利要求1所述的轮毂电机系统动态综合性能测试平台,其特征在于,所述加载装置(5)通过螺旋传动机构向所述驱动轮(4)传递压力。
6.如权利要求5所述的轮毂电机系统动态综合性能测试平台,其特征在于,所述螺旋传动机构由螺母、螺杆组成,滑动螺旋能够实现自锁;通过所述螺母、螺杆,将螺旋运动转换为直线运动给所述驱动轮(4)施加载荷。
7.如权利要求1所述的轮毂电机系统动态综合性能测试平台,其特征在于,所述转速转矩传感器(9)与所述陪试轮(8)输出轴相连,并采用光电码盘的方法测量转速和转矩;当测速码盘连续旋转时,通过光电开关输出具有一定周期宽度的脉冲信号,根据输出信号的频率和码盘的齿数,计算相应的转速;在有效量程范围内,根据转矩与输出的频率成线性关系,计算出相应的转矩。
8.如权利要求1所述的轮毂电机系统动态综合性能测试平台,其特征在于,所述驱动轮(4)与所述陪试轮(8)内均设置有轴承,所述陪试轮(8)与所述飞轮(13)之间通过轴传动。
9.如权利要求1所述的轮毂电机系统动态综合性能测试平台,其特征在于,所述压力传感器(6)采用电阻应变式传感器。
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CN202011478263.5A CN112557902A (zh) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | 一种轮毂电机系统动态综合性能测试平台 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN115407198A (zh) * | 2022-09-26 | 2022-11-29 | 华东交通大学 | 一种轮毂电机性能测试装置及方法 |
CN117686240A (zh) * | 2024-02-04 | 2024-03-12 | 山东科技大学 | 一种模拟多路面工况的轮毂电动轮试验台架及试验方法 |
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2020
- 2020-12-15 CN CN202011478263.5A patent/CN112557902A/zh active Pending
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CN115407198B (zh) * | 2022-09-26 | 2024-05-14 | 华东交通大学 | 一种轮毂电机性能测试装置及方法 |
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CN117686240B (zh) * | 2024-02-04 | 2024-04-26 | 山东科技大学 | 一种模拟多路面工况的轮毂电动轮试验台架及试验方法 |
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