基于電傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)的電動(dòng)車的制作方法
【專利說明】基于電傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)的電動(dòng)車
[0001]1、發(fā)明的名稱:基于電傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)的電動(dòng)車。
[0002]2、所屬技術(shù)領(lǐng)域:汽車制造；新能源汽車；風(fēng)力發(fā)電；發(fā)動(dòng)機(jī)制造；電機(jī)制造。
[0003]3、【背景技術(shù)】:電傳動(dòng)是用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，再靠電力帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)系統(tǒng)。電傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是:可無級(jí)變速，動(dòng)力特性好，起動(dòng)平穩(wěn)，爬坡能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，制動(dòng)時(shí)可回收能量。電傳動(dòng)的缺點(diǎn)是:成本高，重量大，目前主要用于重型礦用汽車和某些軍用汽車上。
[0004]其實(shí)“電傳動(dòng)”早在火車上實(shí)現(xiàn)了，我國于1958年研制成了第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車。到1969年，已制造出4000馬力的大功率內(nèi)燃機(jī)車，用的就是“電傳動(dòng)”。英國的45型驅(qū)逐艦和伊麗莎白女王級(jí)航母上使用的動(dòng)力系統(tǒng)，也是“電傳動(dòng)”，這兩種船使用的就是熱機(jī)到電機(jī)再到螺旋槳，在當(dāng)年確定這個(gè)方案的時(shí)候兩大優(yōu)點(diǎn)，其中之一就是效率高，節(jié)約油。
[0005]電傳動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)裝用的發(fā)電機(jī)和牽引電機(jī)的形式不同，可分為四種(也可看作四個(gè)發(fā)展階段):
[0006]a.直流發(fā)動(dòng)機(jī)一直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)
[0007]這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能，可以不經(jīng)過任何裝置的轉(zhuǎn)換，而直接送到牽引電動(dòng)機(jī)，因此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單。其缺點(diǎn)是，直流電動(dòng)機(jī)的體積大，重量大和成本高，轉(zhuǎn)速不能很高，整流的火花大等。最初的電動(dòng)輪卡車使用這種方式。
[0008]b.交流發(fā)電機(jī)一直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)
[0009]這種系統(tǒng)可以達(dá)到提高轉(zhuǎn)速，縮小體積，運(yùn)行可靠和維修簡便等效果。20世紀(jì)70年代開始，載重為100噸以上的大型電動(dòng)輪汽車廣泛采用這種方式，目前運(yùn)行中的車型很多還是這種方式。
[0010]C.交一直一交電傳動(dòng)系統(tǒng)
[0011 ] 交流發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電，經(jīng)過硅整流器整流變成直流電以后，再經(jīng)過可控硅逆變器，將直流電變成預(yù)定可變頻率的三相電，以供給各個(gè)牽引電機(jī)使用。逆變后的三相交流電的頻率根據(jù)需要是可控制的。交流牽引電動(dòng)機(jī)(特別是鼠籠式電動(dòng)機(jī))與直流電動(dòng)機(jī)相比，由于沒有換向器，結(jié)構(gòu)簡單，外形尺寸小，所以可以設(shè)計(jì)和制造出功率大、轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)運(yùn)行可靠，維護(hù)方便。這是目前AC型礦用車的傳動(dòng)方式。
[0012]d.交一交傳動(dòng)系統(tǒng)
[0013]這種系統(tǒng)是沒有直流環(huán)節(jié)的直接變頻的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的輸出輸給變頻器，變頻器向交流牽引電機(jī)輸送頻率可控的交流電。這種系統(tǒng)對變頻技術(shù)和電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)都有較高的要求。
[0014]業(yè)界認(rèn)為或許交一交傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)是以后的發(fā)展方向，下面我要講的是如何舍棄變頻器及簡化發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)的制造也簡化并提高性能。
[0015]純電動(dòng)汽車的瓶頸在于動(dòng)力電池，電池貴、重、大、充電時(shí)間長、壽命短、電力損耗率高等因素使得電動(dòng)汽車無法與傳統(tǒng)汽車相抗衡。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，電動(dòng)汽車不應(yīng)只限于小客車，更應(yīng)包含大客車、大小貨車等各種形式的車輛?，F(xiàn)在連輕型的電動(dòng)汽車都難以普及，實(shí)在無法期待電動(dòng)汽車能擔(dān)負(fù)起未來運(yùn)輸?shù)闹厝?。業(yè)界只能等待石油逐漸耗竭，汽油價(jià)格飆升，迫使消費(fèi)者購買電動(dòng)汽車。
[0016]對于車輛來說，風(fēng)阻是車輛行駛時(shí)來自空氣的阻力。主要表現(xiàn)在三種形式，第一是氣流撞擊車輛正面所產(chǎn)生的阻力，就像拿一塊木板頂風(fēng)而行，所受到的阻力幾乎都是氣流撞擊所產(chǎn)生的阻力。第二是摩擦阻力，空氣與劃過車身一樣會(huì)產(chǎn)生摩擦力，然而以一般車輛能行駛的最快速度來說，摩擦阻力小到幾乎可以忽略。第三則是外型阻力。一般來說，車輛高速行駛時(shí)，外型阻力是最主要的空氣阻力來源。外型所造成的阻力來自車后方的真空區(qū)，真空區(qū)越大，阻力就越大。一般來說，三廂式的驕車之外型阻力會(huì)比掀背式休旅車小。車輛在行駛時(shí)，所要克服的阻力有機(jī)件損耗阻力、輪胎產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力(一般也稱做路阻)及空氣阻力。隨著車輛行駛速度的增加，空氣阻力也逐漸成為最主要的行車阻力，在時(shí)速200km/h以上時(shí)，空氣阻力幾乎占所有行車阻力的85%。
[0017]垂直平面體風(fēng)阻系數(shù)大約1.0，球體風(fēng)阻系數(shù)大約0.5，一般轎車風(fēng)阻系數(shù)
0.28—0.4。
[0018]談到風(fēng)阻系數(shù)，不得不涉及到另外一個(gè)概念叫做壓差阻力，它的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)著的物體前后所形成的壓強(qiáng)差所形成的。壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的阻力、就是“壓差阻力”。壓差阻力同物體的迎風(fēng)面積、形狀和在氣流中的位置都有很大的關(guān)系。
[0019]用刀把一個(gè)物體從當(dāng)中剖開，正對著迎風(fēng)吹來的氣流的那塊面積就叫做“迎風(fēng)面積”。如果這塊面積是從物體最粗的地方剖開的，這就是最大迎風(fēng)面積。從經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)都不難證明:形狀相同的物體的最大迎風(fēng)面積愈加大，壓差阻力也就愈加大。
[0020]物體形狀對壓差阻力也有很大的作用。把一塊圓形的平板，垂直地放在氣流中。它的前后會(huì)形成很大的壓差阻力。平板后面會(huì)產(chǎn)生大量的渦流，而造成氣流分離現(xiàn)象。如果在圓形平板的前面加上一個(gè)圓錐體，它的迎風(fēng)面積并沒有改變，但形狀卻變了。平板前面的高壓區(qū)，這時(shí)被圓錐體填滿了。氣流可以平滑地流過，壓強(qiáng)不會(huì)急劇升高，顯然這時(shí)平板后面仍有氣流分離，低壓區(qū)仍然存在，但是前后的壓強(qiáng)差卻大為減少，因而壓差阻力必然會(huì)降低到原來平板壓差阻力的大約五分之一。假設(shè)在圓形平板的前面加上一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的葉輪呢？壓差阻力減小的同時(shí)，葉輪從風(fēng)能中獲得了旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，所以在車輛前方加裝捕獲風(fēng)能的風(fēng)輪裝置，在不增加車輛迎風(fēng)面積的情況下，不光不增加風(fēng)阻、還能減小風(fēng)阻，并能捕獲風(fēng)能。
[0021]風(fēng)能是一種無污染的可再生能源，它取之不盡、用之不竭，分布廣泛。隨著人類對生態(tài)環(huán)境的要求和能源的需求，風(fēng)能的開發(fā)日益受到重視，風(fēng)力發(fā)電將成為21世紀(jì)大規(guī)模開發(fā)的一種可再生清潔能源。由于風(fēng)能捕獲的大小與風(fēng)輪直徑的平方、風(fēng)速的立方正相關(guān)，用于高速運(yùn)動(dòng)載體上，相對風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，風(fēng)輪直徑大幅減小、風(fēng)速大幅提高，具有一定的回收價(jià)值。
[0022]飛輪，具有適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、起貯存和釋放動(dòng)能作用的轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，常見于機(jī)器、汽車、自行車等，具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的輪狀蓄能器。
[0023]飛輪效應(yīng)指為了使靜止的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來，一開始你必須使很大的力氣，一圈一圈反復(fù)地推，每轉(zhuǎn)一圈都很費(fèi)力，但是每一圈的努力都不會(huì)白費(fèi)，飛輪會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)得越來越快。達(dá)到某一臨界點(diǎn)后，飛輪的重力和沖力會(huì)成為推動(dòng)力的一部分。這時(shí)，你無須再費(fèi)更大的力氣，飛輪依舊會(huì)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，而且不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是“飛輪效應(yīng)”。飛輪可以用來減少機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程的速度波動(dòng)。
[0024]發(fā)動(dòng)機(jī)效率不是一定的，尤其汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工況更是隨路況不同在不斷變化著，如果純帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的時(shí)候就會(huì)固定在效率最高的工況。
[0025]發(fā)電機(jī)組要求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在工頻的一定倍數(shù)，如3000rpm、1500rpm、750rpm等，因此發(fā)動(dòng)機(jī)需要調(diào)速器，變頻發(fā)電除外。功率問題:BYD371QA直立三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率50KW，125摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)一般就7kW/8000rpm，如果在3000rpm工作，功率會(huì)很低。變頻數(shù)碼發(fā)電機(jī)是采用逆變器技術(shù)的極超靜音發(fā)電機(jī)，它的許多優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)無法比擬的。關(guān)鍵部件是其內(nèi)部的逆變器，逆變器將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的原始交流電進(jìn)行“凈化”，電流經(jīng)過“交-直-交” 二級(jí)轉(zhuǎn)換，使電壓輸出與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，同時(shí)將電壓波形畸變降至最低限度，最終再次轉(zhuǎn)化成潔凈、平穩(wěn)的交流電輸出，其波形是光滑的正弦波形。但是，數(shù)碼變頻適合于小功率(3KW以下)的發(fā)電機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，輸出穩(wěn)定。缺點(diǎn)是變頻器由IGBT半導(dǎo)體元件和一套控制電路組成，電子元器件比較嬌貴，耐過電壓過電流沖擊都很差，對環(huán)境溫度、濕度、清潔度要求很高，使用不當(dāng)很容易損壞，如果變頻器出現(xiàn)故障，整機(jī)都無法正常工作，因此較大功率的發(fā)電機(jī)都不采用數(shù)碼變頻。
[0026]稀土永磁電機(jī)的工作原理與電勵(lì)磁同步電機(jī)相同，區(qū)別在于前者是以永磁體替代勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁。當(dāng)永磁電機(jī)的三相定子繞組(各相差120°電角度)通入頻率為f的三相交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速推移的旋轉(zhuǎn)磁場。穩(wěn)態(tài)情況下，主極磁場隨著旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦是同步轉(zhuǎn)速，定子旋轉(zhuǎn)磁場恒與永磁體建立的主極磁場保持相對靜止，它們之間相互作用并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。
[0027]與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)，特別是稀土永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗小，效率高；電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。因而應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)(可達(dá)到1，甚至容性)，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子銅耗，進(jìn)而可以減小風(fēng)扇(小容量電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇)和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，效率比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可提高2?8個(gè)百分點(diǎn)。而且，永磁同步電動(dòng)機(jī)在25%?120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。
[0028]電動(dòng)機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換效率很高的機(jī)器，相比內(nèi)燃機(jī)30%多的工作效率，電動(dòng)機(jī)通常都在85%以上，而且功率越大，工作效率也越高，而大型電機(jī)的效率甚至可以達(dá)到98%。
[0029]電動(dòng)機(jī)有一個(gè)特性，在輸入的功率一定的情況下(也就是電壓電流一定的情況下)，轉(zhuǎn)速越慢(一般是被外力所至)時(shí)，扭力越大。轉(zhuǎn)速越高時(shí)(無阻力時(shí))，扭力越小(這時(shí)候一般是電機(jī)