轮毂电机驱动电动汽车多场耦合振动机理及振动抑制研究

The in-wheel motor(IWM) driving system as the distributive driving scheme has been one of the intending technologies of the electric vehicles (EVs). For IWM topology, the motor and the speed reducer are all integrated inside the wheel. The introduction of the new chassis structure makes the vibration source and the vibration transfer path change. And then vibration problems with new characteristics will be caused. This subject regards the IWM propelling system as the research object. The coupling vibration model of the mechanical-electro-magnetic multi-field is set up with bond graph theory and the modular modeling method firstly. Then vibration mechanism of the IWM system is studied, including: (1) the effect of the road surface roughness and electromagnetic excitation on the motor air-gap; (2) the influence rules of the correlation and strength between the vibration sources on the vibration transfer path and distribution. Finally, a novel type of electric wheel is brought forward. Vibration isolation components are installed in IWM propelling system based on the vibration characteristics to conquer the motor air-gap deformation arose by road surface roughness excitation and decrease the vibration energy passed to the IWM. The optimization problem of this kind of system for design, matching will be solved, and the proprietary design theory of the vibration isolation components and the evaluation rule of vibration isolation will be established. The study of the project can be used as a basic theory guide in IWM driving system design. And the method can also be extended to the traditional automobile, engineering vehicles, and other areas of the design.

作为下一代电动汽车的关键技术之一，轮毂电机驱动电动汽车将电机、减速机构等高度集成于车轮内，新型底盘结构的引用，使主要振源与传递路径发生变化，进而导致具有新的特色的振动问题的产生。本项目以轮毂电机驱动系统为研究对象，采用键合图理论和模块化建模方法，建立轮毂电机驱动系统机电磁多场耦合振动统一能量分析模型，进行轮毂驱动系统振动机理研究，包括：①路面激励及由此引起的电磁激励对电机气隙的影响规律；②振源间的相关性、强弱等因素对各部件之间振动能量传递和分配的影响规律；根据系统振动特性与主要影响环节，通过在电动轮内设置减振元件，形成具有减振功能的一类新型电动轮集成系统，并解决这类系统在设计、匹配等方面的优化问题，建立轮毂驱动系统专有的减振元件设计理论与减振/隔振评价体系。为轮毂驱动系统设计提供基本理论和方法指导的同时，作为振动控制和提高产品性能的理论指导，该方法也可拓展到传统汽车、工程车辆等设计领域。

分布式轮毂电机驱动电动汽车是下一代纯电驱动的关键技术之一。项目针对轮毂电机驱动电动汽车新型底盘结构引用引起新的振动问题，在振动机理和振动抑制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）基于键合图理论和模块化建模方法，建立了轮毂电机驱动电动汽车振动分析模型，并利用牛顿法对模型的正确性和建模方法的有效性进行了验证。. （2）应用Maxwell应力张量法，建立了轮毂电机不平衡电磁力模型，研究了电机气隙不均匀对电磁特性的影响，获得了电机气隙变化对电磁力的影响规律。. （3）利用搭建的电动轮振动性能测试平台，研究了单一路面激励及路面和电磁力复合激励两种情况下电机气隙的变化规律。. （4）建立了轮毂驱动动力传动系统弯扭耦合振动模型，深入研究了不平衡电磁力对车轮定位参数的影响规律。. （5）研究了多源激励下轮毂电机驱动车辆的振动能量传递特性及电磁激励对振动能量传递特性的影响；同时，研究了车辆参数对振动能量传递特性的影响规律。. （6）考虑车辆动力学纵向、横向和垂向的主要耦合因素，建立了包括统一指数轮胎模型在内的整车16自由度非线性耦合动力学模型，研究了不平衡电磁力对车辆耦合动力学特性的影响。. （7）根据轮毂电机驱动车辆多场耦合振动机理的研究结果，从系统结构改进角度，提出了一种基于振动能量传递的轮毂电机驱动车辆减振设计方法，并通过具体实例对方法的可行性进行了验证。. （8）针对轮毂驱动电动汽车两种不同原因引起的振动，即：由路面和电磁复合激励引起的振动和簧载质量惯性引起的振动，提出了一种基于粒子群算法和PID控制相结合的主动悬架双回路PID控制方法对振动进行控制，并对其可行性进行了验证。. 研究期限内，发表论文10篇，其中:SCI检索7篇，EI检索2篇，中文核刊1篇，录用论文4篇，其中：SCI刊源2篇，EI刊源2篇，申请国家发明专利10项。项目的研究工作对于丰富和完善车辆振动理论体系和推动轮毂电机驱动电动汽车的发展具有重要意义。