电力发动机及其应用.pdf

开发研究 而 电力发动机及其应用 贾立进 黄鹤 ( 1 清华大学苏州汽车研究院苏州2 1 5 2 0 0 ；2 苏州大学附属理想眼科医院苏州2 1 5 0 2 1 ) 摘要 ： 这篇论文的目的是提供关于 电力发动机的新思路。基于这篇论文的目的，将描述 电力发动机的 技术背景，详细描述 与说明电力发动机的基本原理、系统与组成、架构 、功能，且详细说明电力发动机 转速调节与磨损控制措施和介绍电力发动机的应用案例。在这篇文献里，将分析电力发动机原理，且在 电力发动机应用案例中，参数与其它数据将被定义与计算 ( 如：价格，功率，电流与电压) 。 关键词 ：电力发动机 ；原理 ；应用 PoW ER ENGI NE AND APPLI CATI oN J i a Li J i n ， Hu a n g He ( 1 C HE R YA UT O MO B I L E C O ， L T D， mU， 2 4 1 0 0 9； 2 L I XI ANG E YE H OS P I T A L OF S 0O C H0 W U NI 、 R S I T S UZ HO U， 2 1 5 0 2 1 ) A b s t r a c t ： The o b j e c t i v e o f t h i s p a p e r i s t o p r o v i d e a n e w i d e a o n t h e p o w e r e n g i n e B a s e o n the o b j e c t i v e o f t h i s p a p e r , the b a c kg r o u nd o f t e c h no l o g y o n the p o we r e n g i ne i s d e s c r i b e d ，r a t i o na l e ，s t e ms a n d c o mp o n e n t s ， a r c h i t e c t u r a ， f u nc t i o ns a b o u t the p o we r e n g i n e i s d e t a i l e d a n d s pe c i fie d ， r o t a t i o n s pe e d t u ne d a n d c o nt r o l m e a s u r e o f a t tri t i o n o n the p o wer en g ine i s s p e c i fie d ，a n d the a p pl i c a t i o n c a s e o f po we r en g ine s ho u l d b e int r o d uc e d Th e p rin c i p l e o f p o we r e ng i ne s h o u l d b e a na l y z e d i n t hi s d o c u me n t ， an d the p a me t e r an d o the r d a ta s ho ul d b e d e fin e d a n d c a l c u l a t e d i n the a p p l i c a t i o n c a s e o f p o w e r e n g ine ( e g p r i c e ， p o w e r ， c u r r ent and v o l t a g e ) Ke y wo r ds ： po we r e n g i n e pr i nc i p l e a p pl i c a t i o n 1 、电力发动机产生的技术背景 如今，面对人类赖 以生存的地球环境 日益恶化难 题， 全世界精英都在关注 ， 并且提出了相应的节能减排、 低碳经济对策。 2 0 1 0年中国上海世界博览会也推 出“ 城 市让生活更美好”口号，而且有关节能减排、低碳经济 的产品也无可争议的成为本次博览会的重点和亮点。 传统的汽车发动机使用燃油作能量原料， 运转过程 中排放的尾气， 破坏 自 然环境， 针对这种情况，电动汽 车脱颖而出，整个社会正投入大量的人力、物力、财力 做研究， 并取得一些成果 ， 但 目前的主流 电动汽车都是 以电动机作为动力驱动，这种技术近乎是世界公用技 术 ，没有竞争优势 。 目前， 在新能源汽车技术发展中，国外相关技术单 位正实施对国内技术包围， 在新能源汽车技术领域， 在 中国抢注专利 ， 围剿国内主机厂新能源汽车项 目技术发 展方向， 抢 占新能源汽车技术发展新高地，在中国新能 源汽车市场上搞现代版 “ 圈地运动” ，划定 自己的新能 源汽车发展技术势力范围。 鉴于此 ， 结合作者的 电力发动机专利 ( 专利号： 2 0 1 0 1 0 1 7 1 2 1 7 0 ) ，本文提 出一种新思路：电力发动机， 与国内汽车人共享， 它结合燃油发动机动力性强与电动 机环保的优点，充分利用燃油发动机架构， 但使用 电能 作能量源 。如图 1 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 电力发动机示意图 2 、电力发动机组成及运行功能描述 电力发动机 由支架 1 、曲轴 2 、一缸连杆 3 、二缸 连杆 4 、一缸活塞 5 、缸体 6 、二缸活塞 7 、一缸电磁铁 组件 8 、二缸 电磁铁组件 9 、电力发动机 电子控制单元 l 0 、四缸 电磁铁组件 l l 、三缸 电磁铁组件 l 2 、四缸活 塞 1 3 、三缸活塞 1 4 、三缸连杆 1 5 、四缸连杆 1 6 、曲轴 位置传感器 1 7组成 。一缸活塞 5内部嵌入永久磁铁， 永久磁铁 N极上 ， S极下；二缸活塞 7内部嵌入永久磁 铁 ，永久磁铁 N极上，S极下；三缸活塞 1 4内部嵌入 永久磁铁 ，永久磁铁 N极上 ，S极下；四缸活塞 l 3内 部嵌入永久磁铁 ，永久磁铁 N极上 ，S极下。一缸电磁 铁组件 8包含一缸缸盖、缠绕在一缸缸盖上线圈、 缠绕 在一缸缸体上线圈；二缸电磁铁组件 9包含二 ： 缸缸盖、 缠绕在二缸缸盖上线圈、缠绕在二缸缸体上线圈； 三缸 电磁铁组件 1 2包含三缸缸盖、 缠绕在三缸缸盖上线 圈、 缠绕在三缸缸体上线圈；四缸 电磁铁组件 1 1包含四缸 缸盖 、 缠绕在四缸缸盖上线圈、 缠绕在四缸缸体上线圈。 各缸内活塞运行原理为： 一缸电磁铁组件 8线圈接 入正向电流， 一缸活塞 5 上行； 一缸电磁铁组件 8 线圈 接入反 向电流，一缸活塞 5下行 ；二缸 电磁铁组件 9 线 圈接入正向电流，二缸活塞 7上行 ； 二缸 电磁铁组件 开发研究 而 9线圈接入反向电流 ，二缸活塞 7下行；三缸 电磁铁组 件 1 2 线圈接入正向电流， 三缸活塞 1 4 上行； 三缸电磁 铁组件 l 2 线圈接入反向电流， 三缸活塞 1 4 下行； 四缸 电磁铁组件 l l 线圈接入正向电流，四缸活塞 1 3上行； 四缸 电磁铁组件 1 l线圈接入反 向电流，四缸活塞 l 3 下行 。 电力发动机运转， ， 曲轴位置传感器 1 7不断向电子 控制单元 l O反馈 曲轴位置， 当电子控制单元 1 0接收到 曲轴旋转带动一缸活塞 5 下行至下止点位置时， 电子控 制单元 1 O先控制一缸电磁铁组件 8线圈、三缸 电磁铁 组件 1 2线圈断电，然后控制一缸电磁铁组件 8线圈接 入正 向电流、三缸 电磁铁组件 l 2线圈接入反向电流、 二缸 电磁铁组件 9线圈接入正向电流、 四缸 电磁铁组件 1 1 线圈接入反向电流；当电子控制单元 1 0接收到曲轴 旋转带动四缸活塞 1 3下行至下止点位置时，电子控制 单元 1 O先控制二缸电磁铁组件 9线圈、四缸电磁铁组 件 1 l 线圈断电， 然后控制四缸 电磁铁组件 1 1 线圈接正 向电流、二缸电磁铁组件 9线圈接入反向电流、一缸电 磁铁组件 8线 圈接入正 向电流、三缸电磁铁组件 l 2线 圈接入反向电流；当电子控制单元 1 0接收到曲轴旋转 带动三缸活塞 1 4下行至下止点位置时，电子控制单元 1 0 先控制一缸电磁铁组件 8 线圈、三缸电磁铁组件 1 2 线圈断电， 然后控制一缸 电磁铁组件 8线圈接入反向电 流、三缸 电磁铁组件 1 2线圈接入正 向电流 、二缸电磁 铁组件 9线圈接入反向电流 、四缸电磁铁组件 1 1 线圈 接入正向电流；当电子控制单元 l 0 接收到曲轴旋转带 动二缸活塞 7下行至下止点位置时，电子控制单元 l 0 先控制二缸电磁铁组件 9线圈、四缸 电磁铁组件 1 1 线 圈断电， 然后控制四缸电磁铁组件 1 1 线圈接反向电流、 二缸 电磁铁组件 9线圈接入正向电流、 一缸电磁铁组件 8线 圈接入反向电流、三缸 电磁铁组件 1 2线圈接入正 向电流；当电子控制单元 l O接收到 曲轴旋转带动一缸 活塞 5下行至下止点位置时，电子控制单元 1 0先控制 一 缸 电磁铁组件 8线圈、 三缸电磁铁组件 1 2线圈断 电， 然后控制一缸 电磁铁组件 8线圈接入正向电流、 三缸电 磁铁组件 1 2线圈接入反向电流、二缸电磁铁组件 9 线 圈接入正 向电流、四缸 电磁铁组件 l 1线圈接入反向电 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 瓣 Jl：发 研 究 而 流，电力发动机如此循环运转下去。 电力发动机与旋转电机及直线电机关于运动位移 方向与电磁力线方 向的夹角相比， 电力发动机工作中运 动位移方 向与 电磁力线方 向的夹角最小 ( 为 0 ) ，旋转 电机工作 中运动位移方向与电磁力线方向的夹角次之， 直线 电机工作中运动位移方向与 电磁力线方向的夹角 最大 ；也就是，在 同等工作条件下 ( 电磁力 、位移) ， 电力发动机做功最大， 旋转 电机做功次之，直线 电机做 功最小；换思维之，在同等位移条件下做相同的功 ，电 力发动机对电力系统或动力电池要求最低 ， 旋转 电机对 电力系统或动力电池要求次之， 直线 电机对 电力系统或 动力 电池要求最高。 若用 电池为直线 电机供 电，则很难 发挥动力 电池的电容量 ，这就好 比把瓶子给乌鸦当水 杯，瓶子装水的有效功用容量只有总容量的 1 4 ， 乌鸦喝 了 1 4水后，必须把瓶子加满水，否则乌鸦就喝不上水 了。 电力发动机的缺点不在 电能转化机械能方面， 而在 将直线往复运动通过连杆、曲轴转换为旋转运动方面， 曲柄 、 连杆机构的摩擦损失， 活塞往复直线运动的惯性 损耗等。 当然，内燃机也存在同样缺点。 对于摩擦损失， 后面会详细描述预防措施 ； 对于活塞往复直线运动的惯 性损耗 ，可 以通过调整线圈供 断电时间 ( 有点像点火 提前角) 将损耗降至最低，这在开发控制器时通过研究 分析得以实现 ， 亦可 以从运动件选材 、 造型方面考虑得 以实现。 3 、电力发动机转速调节 通过改变供给电力发动机各缸 电磁铁组件线 圈电 源时间来实现 电力发动机调速，既脉宽调制 ( P WM) 技术 ，如图 2 ： 图 2 电力发动机调速原理框图 电力发动机整个调速装置由调速踏板、 电子控制单 元、调速模块 A、调速模块 B、电磁铁组件线 圈组成。 调速模块 A接电磁铁组件线圈一端 ，调速模块 B接 电 磁铁组件线圈另一端。 如果电子控制单元控制调速模块 A，使与之对应的电磁铁组件线圈端接入电源正极，则 电子控制单元就控制调速模块 B ， 使与之对应的电磁铁 组件线圈端接入 电源负极； 如果 电子控制单元控制调速 模块 B，使与之对应的电磁铁组件线 圈端接入电源正 极 ， 则 电子控制单元就控制调速模块 A， 使与之对应的 电磁铁组件线圈端接入电源负极 。 调速模块 A与调速模块 B是由肖特基二极管、场 效应管及电阻、电容、三极管、二级管等 电子元器件及 散热铜片、散热铸铁、塑料壳体组成。 调节原理，电子控制单元不断侦测调速踏扳位置， 并通过比例积分微分 ( P I D)算法 ，算出占空比，然后 根据 占空 比控制调速模块接通或断开 电磁铁组件线圈 电源， 即在活塞从上止点到下止点或下止点到上止点行 程 中， 根据占空比算 出电磁铁组件线圈接通电源 的活塞 行程与电磁铁组件线圈断开电源的活塞行程 。 调速踏板、电子控制单元、调速模块 A、调速模块 B、电磁铁组件线圈的详细的协调工作、 位置控制分析， 请读者参阅本文第二部分及本文参考文献列出的 变频 技术原理与应用 ；具体转矩调节、转矩稳定控制的信 息，请读者参阅电动 白行车相关控制策略及控制算法。 4 、电力发动机运转零部件降低摩擦措施 电力发动机不像燃油发动机那样产生大量的热量， 因此不需要特别的冷却系统 ， 但是如果运动零部件摩擦 问题处理不好， 仍然会因摩擦产生大量的热量， 甚至烧 蚀零部件。 电力发动机缸体无须密闭空间， 缸体无须承担燃烧 爆发力， 因此缸体结构可制作得紧凑些。 由于这些特点， 电力发动机运动零部件运转在半封闭空问， 也就不能向 燃油发动机那样使用机油飞溅润滑与冷却。 对于曲轴与 支座之间润滑， 采用润滑脂方式润滑； 对于缸体与活塞 之 间，除了采用采用润滑脂方式润滑外 ， 还从结构上加 以考虑，如图 3 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1是缸体，2是润滑脂 。3是钢珠 ，4是活塞 ，5是活塞销，6是连杆。 在活塞中，原先放活塞环的位置，放钢珠 3 并且其余 间隙充满润滑脂 活塞 4与缸体 1 之 间充满润滑脂；活塞销与连杆之间充满润滑脂。 、 图 3 电力发动机活塞润滑结构示意图 5 、电力发动机应用方案 电动汽车可以采用 2 4缸电力发动机 ， 缸径 2 9 mm， 保证总长在 l O 0 0 mm 之 内，各缸以曲轴旋转轴线轴 向 投影 点为中心，星型布置，冲程 5 8 mm，则可保证整个 电力发动机布置在直径 6 0 0 mm， 长 l O 0 0 m m 的空间内， 整个缸体可采用铝合金材料 ，因为半封 闭结构，连杆大 头与曲柄销间采用润滑脂润滑， 提高曲柄连杆机构的机 械传动效率；采用市面上已经成熟的电动 自 行车电池， 如镍氢 电池， 铅酸电池等 ， 且每一只电动 自行车电池只 为一组 电磁铁组件线圈供 电， 这样 ， 就需要 2 4只电池 。 如果每只 电动 白行车电池规格为电压 3 6 V， 电容量 为 2 0 AH， 并且满负荷放 电电流为 5 A， 充 电电流为 2 A， 则可计算 出充 电时间为 ( 2 0 A h 2 A)1 O h ，放 电时间为 ( 2 0 A h 5 A)4 h ，功率为 ( 3 6 V* 5 A)l 8 0 W。 如果2 4 只电动 自 行车电池与2 4 缸电力发动机组成 电动汽车动力驱动系统 ， 则每户家庭 2 2 0 V 电源需承受 窒 De ve l opi ng R es ea r c h ( 3 6 V* 2 A* 2 4 )1 7 2 8 W 负载，连续为 由2 4只电动 自行 车 电池组成的电动汽车 电池充电 1 0 h 。电动汽车充满一 次 电，可以以 ( 3 6 V* 5 A* 2 4 )4 3 2 0 W 驱动功率连续行 驶 4 h 。 如果每只电动 自行车 电池成本为 9 0 0元，则 2 4只 电动 自行车 电池成本为 2 1 6 0 0元， 即这种 电动汽车电池 成本为 2 1 6 0 0元，以作者所在单位的实力，市场价 6 万 以内的这种 电动汽车肯定可以制造出来。 含有电力发动机的电动汽车 ， 采用成熟的传统燃油 发动机的多缸动力成组技术 ， 并采用市面上成熟的电动 自行车 电池 ，没有高电压。这种电动汽车运行起来，相 当于 2 4辆 电动 自行车同时运行，动力强劲 ，调节性能 好 。 目前， 动力电池技术路线多种多样 ， 锂电池 的技术 方案非常多，性能不断提升，成本不断降低 ，安全性也 越来越高。随着动力电池技术越来越成熟， 与 电力发动 机技术一起应用到整车上， 整车动力驱动系统性能一定 能大幅提升 得到潜在消费者 的认可， 相信在不久的将 来，电动汽车一定会成为新能源汽车的主流 。 参考文献 1 专利：2 0 1 0 1 0 1 7 1 2 1 7 0 贾立进电力发动机 2 陈家瑞主编汽车构造 北京：人民交通出版社，2 0 0 6 3 】西北工业大学机械原理及机械零件著机械原理 北京：高 等教育出版社，2 0 0 2 【 4 Mi c r o c h i p P I C 1 6 F 9 1 7 9 1 6 9 1 4 9 1 3 Da t a S h e e t 5 A t me 1 A T me g a 1 6 8 V Da t a S h e e t 6 秦曾煌主编电： 【学 北京：高等教育出版社，1 9 9 0 7 吕汀，石红梅编变频技术原理与应用北京：机械工业出 版社 ，2 0 0 3 赢丽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m