用于清洁设备及电动叉车的新型轮毂电机研发.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 17 日 作者简介：杨志强（1985），男，汉族，江苏沛县人，本科，工程师，研究方向为电机产品结构设计、技术开发。-175-用于清洁设备及电动叉车的新型轮毂电机研发 杨志强 苏州阿尔竣智能科技有限公司，江苏 苏州 215000 摘要：摘要：本文从研发新型电机的现实意义出发，结合用于清洁设备及电动叉车的新型轮毂电机研发项目案例，重点阐述新型轮毂电机的研发技术要点、性能参数、设计方案、控制器功能以及测试验证分析，讨论了包括坡道驻停、缓慢刹车、部件松脱、轴承发热磨损等技术难点，并且提出相应的解决方法。最终此项目取得了理想的研发成果，希望通过本文内容能够为行业内有关技术人员提供一定的帮助。关键词：关键词：新型轮毂电机；性能参数；多功能控制器；测试验证；技术难点 中图分类号：中图分类号：TM352 0 引言 经过调查可知，在很长一段时间内，电动叉车、清洁设备均使用传统的电动驱动系统，其特点是电机位于底盘或传动系统中，存在结构复杂、重量大、维护困难等不足。为解决电动驱动系统的问题，提升设备性能和效率，需对新型轮毂电机进行研发。因此，结合实际项目案例，对于新型轮毂电机的设计研发展开探索与研究，具有重要的现实意义。1 项目背景 现阶段，无刷驱动电机已作为驱动轮被用于电动叉车、清洁设备，但有刷电机仍占据主导地位，有刷电机的换向器、电枢均要接触才能发挥作用；其中，换向器接触碳刷时，会受转速、负载增加而持续产生电流，进而产生碳粉和电火花，短路概率提高，致使电机刷架、铜线圈和碳刷因匝间短路而失效1。为彻底解决上述问题，决定立项应用永磁无刷驱动电机，在取消刷架、换向器和碳刷的前提下，通过非接触方式，使电机线圈及时换向，从而大幅延长电机使用寿命。2 新型轮毂电机研发 2.1 研发技术要求 在研发新型电机时，应当考虑以下技术要求：（1）功率和扭矩。根据设备负载要求，确定所需功率和扭矩。（2）控制系统。与传统电机相比，新型电机需配备相应的控制系统，用于实现电机启停、调速等功能。该项目采用先进的无刷驱动技术及电机控制算法，以实现高效能量转换和精确运动控制。（3）环境适应性。电动叉车、清洁设备的工作环境较为恶劣，故新型电机设计应考虑防尘、防水和耐久性能，以确保电机在恶劣条件下的稳定运行。（4）散热设计。轮毂电机在工作过程中会产生一定热量，需要考虑采用散热片、风扇等设计，确保电机温度在可控范围内。（5）转速和速度控制。根据设备工作要求，确定所需最大转速和速度范围，考虑电机转速控制、速度调节的能力，以满足不同工况要求。（6）动力供应。新型电机需要电池或其它动力源作为能量供应，要考虑电池容量、电压等参数，确保电机的可靠供电。2.2 关键性能参数 项目中所研发新型电机的性能参数详见表 1。表 1 电机性能参数 项目 具体参数 项目 具体参数 型号 ALJ-110Y-QD-400 绝缘电阻 20M 额定电压 24VDC 电气强度 660V/S 整体最大功率 400W 绝缘等级 H 整机额定电流 18A 防护等级 IP52 整机额定转速 150rpm 使用环境温度-10+40 整机最大力矩 57N.m 噪音 60dB（L=100cm）整机空载电流 2A 速比 1:5 整机空载转速 180rpm 电磁刹车力 8N.m 工作制 S2 45min 电磁刹车电压 24VDC 2.3 轮毂电机设计 中国科技期刊数据库 工业 A-176-轮毂电机外形设计如图 1 所示。图 1 轮毂电机外形设计示意图 2.4 多功能控制器 研发过程中，需解决多个无刷电机控制与通讯的现实需求问题，故决定进行定制模块式多功能控制器，其功能需求分析如表 2 所示。表 2 模块式多功能控制器需求分析 名称 具体需求 功能需求 模块化设计 通讯协议 485 或 CAN 驱动板 一个行走驱动板+多个可拆卸式无霍尔驱动板 外观尺寸 最大长 200mm*宽 150mm*高 80mm 主电机类型 行走为正玄波霍尔电机 电压电流 主驱动 35A 轮毂电机所配备控制器的主要功能如表 3 所示。（1）驱动控制，包括启停、调速、反向等，可通过电压和电流控制，精确控制电机的转速和扭矩。（2）通过编码器或其它传感器，测量电机的转速和位置，根据设定值进行反馈控制，以实现精确的速度以及方向控制。（3）通过反向电流或其他刹车机制，实现电机的快速停止和制动。（4）电池的充电控制、过放保护、温度监测，能够延长电池寿命，确保安全运行。（5）故障诊断和保护功能，可以监测电机的运行状态，在出现故障、过载或其它异常情况时，及时停止电机，保护设备和电机2。（6）配备 CAN、RS485 等通信接口，用于与其它系统的数据交换和控制。例如，与车辆的中央控制器或其他外部设备进行通信，实现对电机的远程控制和监测。表 3 控制器功能 大类 具体分类 功能介绍 主驱动功能 通讯 CAN 行驶 无霍尔软启动，最高可以达到 35A 档位 空挡，高速前进挡，低速前进挡，后退档 刹车 根据霍尔检测结果，平滑减速从而刹车，解决溜坡问题 学习 自动识别对应线序 加速器 双信号输入，电压在 0.54.2 之间，一路缺失后，自动切换至另一路，同时报出故障码 电磁驻车 将电机实际转速减至 0，断电刹车 转弯减速 在检测到信号的第一时间刹车，保证转弯时速不超过 2km 故障提醒 LED 提示+蜂鸣提醒 刷盘 功能 恒压，过压，过温，过流 起停 软启动+平滑停止 调速 达到或超过 1V 时，通过 pwm 调速 方向 正向、反向均可 急刹 在检测到急刹信号的同时刹车 数量 2 连接 与主板相连，可以自行拆卸 马达 功能 恒压，过压，过温，过流 调速 达到或超过 1V 时，通过 pwm 调速 数量 1or2 连接 与主板相连，可以自行拆卸 电磁阀 启动 旋转刷盘 数量 1or2 启停方式 高频控制启停 推杆 电机 带有限位开关的有刷电机 数量 2 控制 支持过流保护 2.5 测试验证分析 验证轮毂电机性能的测试包括：（1）使用适当的测速仪器和转矩传感器，测量电机在不同负载情况下的转速以及扭矩输出。测试可以包括静止启动、匀速运行、变速运行和急停等场景，由此评估电机的动态性能和控制精度。（2）在不同工作负载和转速条件下，测量电机输入、输出功率，计算电机的效率和能量消耗情况，制定优化控制策略。（3）测试电机的制动性能，如快速停止时间、制动力强度和刹车距离，通过模拟不同紧急制动情况，评估电机的刹车性能和控制的精确度。（4）测试电机在不同负载、坡度条件下的加速度还有爬坡能力，根据加速时间和爬坡速度，评估电机的动力性能及其适应不同工况下的能力。（5）模拟电机过载、过热等异常情况，测试控制器的故障诊断和保护功能，了解控制器在异常情况下的响应速度和保护效果、系统的可靠性还有稳定性。（6）测试电机在运行过程中的振动和噪音，评估其运行平稳性、中国科技期刊数据库 工业 A-177-噪声水平。（7）在高负载、高温、高湿度等环境条件下，展开长时间的稳态及动态测试，模拟电机在不同工况下的使用寿命和可靠性，由此确定电机以及控制器的寿命。其中，电机负载特性曲线如图 2 所示。图 2 电机负载特性曲线示意图 3 研发技术难点及解决方法 3.1 电机轮毂坡道驻停 电机轮毂坡道驻停是电机轮毂在坡道上停车并保持静止的驻停方式，通常用于防止停止车辆的滑行。电机轮毂可通过以下方式实现坡道驻停：（1）配备制动系统，确保车辆在坡道上保持静止；（2）由控制系统控制电机驱动和制动力配合，使车辆在坡道上停车并保持静止；（3）将轮毂设计成能够提供足够摩擦力的形式，防止车辆滑动。该项目中，设备车辆途径坡道、地库时，具有临时驻停的需要，而电机不支持设备车辆的坡道驻停。解决方法是以中心轴为载体，加装刹车片、重载弹簧、电磁线圈和活动法兰，设备车辆通电后，电磁线圈将形成电磁场，使活动法兰处于吸合状态；断电后，活动法兰由吸合状态切换回初始状态，在重载弹簧的作用下，将设备车辆刹车片锁死，使电机轮毂的坡道驻停效果得到保障3。3.2 缓慢刹车辅助功能 刹车辅助是在车辆制动过程中提供额外支持和安全保护的辅助系统，主要负责在驾驶员进行刹车操作时，通过辅助系统控制车辆，使车辆能够以较慢的速度停车，同时确保驾驶员的操作更加平稳。其功能具体包括：（1）通过 ECU 减小制动系统的压力，保持稳定的制动力输出，使车辆以较慢的速度停车。（2）根据驾驶员的刹车踏板输入，调整刹车灵敏度，使驾驶员能够更加精确地控制车辆的刹车力度和速度。（3）提供额外的安全保护，避免车辆急速停车或突然减速，造成驾驶员或乘客的不适。设备车辆正常行驶时，会用到电机缓慢刹车这一辅助功能，保证设备车辆能够及时刹停，缓慢刹车对电机内置三相线圈电感、功率和减速比之间的匹配度具有严格要求。解决方法是将电机线圈槽满率更改为58%，通过增加截面积的方式，提高功率，同时增加绕线匝数，使电感参数达到标准值，并将电机速比控制在 5:1，确保刹车制动及时且平缓，制动距离不超过客户方所规定的 1.5m4。3.3 电机部件松脱隐患 设备车辆途径路面情况较为复杂的路段时，极易由于路面颠簸或是负载过重，产生频率超出允许范围的振动，导致止口配合、螺钉和轴承等电机所需链接配件、电子元件松开甚至脱落，造成安全隐患。解决方法是用螺纹紧固剂处理螺钉，放弃常规轴承，改用大游隙的轴承，通过紧配的方式，对轴承与外壳、轴进行固定。3.4 轴承发热磨损问题 设备车辆所配备的刹车片为电磁铁刹车片，刹车片通过六角轴和电机转子端盖相连，由此而造成的问题为：电机轮毂盖、端盖轴承沿顺时针方向匀速转动，同时轴承外圈沿逆时针方向转动，形成差速，轴承长时间转动发热并且卡死。颠簸、重载均会加剧轴承位的磨损，不仅会缩短轴承的使用寿命，还会威胁驾驶者的安全。解决方法是改用 C3 游隙进口轴承，保证内径紧配，壳体和外径之间填充厌氧胶加以固定，彻底解决轴承室、轴承磨损的问题5；并且在电机轮毂盖增设散热筋（以 12 条为最佳），事实证明改造后的轴承即使在长时间转动后，其整体温度仍明显低于未增设散热筋，温度差能够达到 20%左右。4 结束语 本文基于电动叉车、清洁设备专用轮毂电机的研发问题，针对研发方案、技术难点和解决方法展开分析，最终通过中心轴加装刹车片、重载弹簧和活动法兰等构件，将电机线圈槽满率更改为 58%等各项技术的应用，证明了研发方案的有效性，研发技术难点得以较好解决。综上所述，本文提出了一种全新的轮毂电机研发方案，弥补了常规方案的不足，对日后的研发工作具有借鉴和指导价值。中国科技期刊数据库 工业 A-178-参考文献 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