复杂行驶工况下轮毂电机驱动系统多场交叉耦合作用机理及一体化集成优化设计方法研究

As one of the key technologies of distributed in-wheel motor(IWM) driving electric vehicles, the driving and braking performance of each driving wheel and the vehicle performance are directly affected by the integrated structure and the performance of the IWM driving system. And the problems such as the low torque/ power density, the conflict between the high torque density and the cooling constraint and the increase in unsprung mass have become the technological bottlenecks restricting the development of the IWM driving electric vehicles due to the constraint of new chassis structure and working conditions. Taking the IWM driving system as the research object, the multi-field coupling modeling method of the IWM driving system is studied, and the global analysis model is established firstly. Then coupling action mechanism of the multi-physical fields in various driving conditions is revealed deeply. On this basis, the research work on the integrated optimization design method of the IWM driving system is carried out. And an integrated optimization design method is brought forward for the IWM driving system, which can give attentions to the performance of the torque/power, heat dissipation and lightweight simultaneously considering the multi-field coupling effect and complex driven conditions. In addition, the comprehensive effectiveness evaluation mechanism is established, and the systematic integrated optimization design theory is generalized. Finally, product prototype of high-performance integrated IWM driving system assembly is developed, which provides the guidance for the basic theory and method of the design for the IWM driving system.

作为分布式轮毂驱动电动汽车的核心技术之一，轮毂驱动系统一体化集成结构与性能的优劣，直接影响各驱动轮的驱动/制动性能和整车的行驶性能。但新型底盘结构和工作环境的制约，使得轮毂驱动系统转矩/功率密度过低、高转矩密度与冷却约束冲突及非簧载质量增加等问题已成为制约轮毂电机驱动电动汽车发展的技术瓶颈。本项目以轮毂电机驱动系统为研究对象，首先研究轮毂电机驱动系统多场耦合建模方法，建立多场耦合全局分析模型，深入揭示复杂行驶工况下多场动态交叉耦合作用机理；进而开展一体化集成优化设计方法方面的研究工作，提出考虑多场耦合效应和复杂行驶工况，且能够同时兼顾转矩/功率、散热、轻量化性能的适用于轮毂电机驱动系统的一体化集成优化设计方法，建立其综合效能评价机制，形成系统化的轮毂驱动系统一体化集成优化设计理论，并研制出高性能的一体化轮毂电机驱动系统总成原型样机，为轮毂电机驱动系统前期设计的基本理论和方法提供指导。

作为分布式轮毂驱动电动汽车的核心技术之一，轮毂电机驱动系统结构与性能的优劣，直接影响各驱动轮的驱动/制动性能和整车的行驶性能。课题针对轮毂驱动电动汽车新型底盘结构引用引起的轮毂电机驱动系统转矩/功率密度过低、高转矩密度与冷却约束冲突及非簧载质量增加等问题，在其多场交叉耦合作用机理及一体化集成优化设计方法方面开展了相关的研究工作。主要研究内容和创新成果概略如下：.（1）建立了轮毂电机驱动系统的电磁场、热场、流场等物理场的分析模型，分析了不同工况下各物理场的时变性和非线性。.（2）基于模块化建模思想，研究了轮毂电机驱动系统电磁场、热场、流场等物理场间的相互耦合关系、强弱程度，建立了局部两场耦合分析模型，并就两场耦合特性进行了分析。.（3）考虑各局部耦合场间的耦合因素、工作环境及计算效率，通过子模块适当的解耦，建立了轮毂电机驱动系统多场耦合全局分析模型，深入揭示了轮毂驱动系统电磁场、温度场、流场等随空间和时间变化的动态交叉耦合作用机理。.（4）从优化材料微观结构的拓扑形状入手，考虑复杂系统的多场耦合效应，进行满足工况需求的轮毂电机驱动系统的优化设计方法研究，通过结构创新实现性能提升。为轮毂电机驱动系统的一体化集成优化设计提供可借鉴的方案、方法。.（5）提出了将拓扑优化与多学科协同优化设计思想相结合的一体化集成优化设计方法，用以解决轮毂电机驱动系统一体化集成设计中转矩密度、冷却约束和非簧载质量增加等性能间的冲突问题。.（6）加工试制了轮毂电机驱动系统样机，进行了相关的实验研究，对样机综合性能进行验证。.通过四年的研究，依托本项目共计发表SCI/EI 论文 18 篇；录用学术论文 3 篇，其中 SCI 刊源 2 篇，EI 刊源 1 篇；授权发明专利11项，申请发明专利 13 项。课题的研究工作对于轮毂电机驱动系统的一体化集成优化设计和轮毂驱动电动汽车的发展不但具有重要的理论意义，而且具有现实的工程应用价值。