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電力發(fā)動機及其應(yīng)用

文檔作者：賈立進(jìn) 黃鶴文檔來源： 1．清華大學(xué)蘇州汽車研究院 2．蘇州大學(xué)附屬理想眼科		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月09日
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開發(fā)研究
— 而
電力發(fā)動機及其應(yīng)用
賈立進(jìn) 黃鶴
(1．清華大學(xué)蘇州汽車研究院蘇州215200；2．蘇州大學(xué)附屬理想眼科醫(yī)院蘇州215021)
摘要：這篇論文的目的是提供關(guān)于電力發(fā)動機的新思路?；谶@篇論文的目的，將描述電力發(fā)動機的
技術(shù)背景，詳細(xì)描述與說明電力發(fā)動機的基本原理、系統(tǒng)與組成、架構(gòu)、功能，且詳細(xì)說明電力發(fā)動機
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與磨損控制措施和介紹電力發(fā)動機的應(yīng)用案例。在這篇文獻(xiàn)里，將分析電力發(fā)動機原理，且在
電力發(fā)動機應(yīng)用案例中，參數(shù)與其它數(shù)據(jù)將被定義與計算(如：價格，功率，電流與電壓)。
關(guān)鍵詞：電力發(fā)動機；原理；應(yīng)用
PoW ER ENGINE AND APPLICATIoN
Jia Li Jin ， Huang He
(1．CHERYAUTOMOBILE CO．，LTD， mU，241009；
2．LIXIANG EYE HOSPITAL OF S0OCH0W UNI、 RSIT SUZHOU，2 1 502 1)
Abstract：The objective ofthis paper is to provide a new idea on the power engine．Base on the objective ofthis paper,
the background of technology on the power engine is described，rationale，s~tems and components，architectura’，
functions about the power engine is detailed and specified，rotation speed tuned and control measure of attrition on the
power en gine is specified，and the application case of power engine should be introduced．The principle of power
engine should be analyzed in this document，and the p~ameter an d other data should be defined and calculated in the
application case ofpower engine(e．g．price，power，current and voltage)．
Keywords：power engine principle application
1、電力發(fā)動機產(chǎn)生的技術(shù)背景
如今，面對人類賴以生存的地球環(huán)境日益惡化難
題，全世界精英都在關(guān)注，并且提出了相應(yīng)的節(jié)能減排、
低碳經(jīng)濟(jì)對策。2010年中國上海世界博覽會也推出“城
市讓生活更美好”口號，而且有關(guān)節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)
的產(chǎn)品也無可爭議的成為本次博覽會的重點和亮點。
傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機使用燃油作能量原料，運轉(zhuǎn)過程
中排放的尾氣，破壞自然環(huán)境，針對這種情況，電動汽
車脫穎而出，整個社會正投入大量的人力、物力、財力
做研究，并取得一些成果，但目前的主流電動汽車都是
以電動機作為動力驅(qū)動，這種技術(shù)近乎是世界公用技
術(shù)，沒有競爭優(yōu)勢。
目前，在新能源汽車技術(shù)發(fā)展中，國外相關(guān)技術(shù)單
位正實施對國內(nèi)技術(shù)包圍，在新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域，在
中國搶注專利，圍剿國內(nèi)主機廠新能源汽車項目技術(shù)發(fā)
展方向，搶占新能源汽車技術(shù)發(fā)展新高地，在中國新能
源汽車市場上搞現(xiàn)代版“圈地運動”，劃定自己的新能
源汽車發(fā)展技術(shù)勢力范圍。
鑒于此，結(jié)合作者的《電力發(fā)動機》專利(專利號：
201010171217．0)，本文提出一種新思路：電力發(fā)動機，
與國內(nèi)汽車人共享，它結(jié)合燃油發(fā)動機動力性強與電動
機環(huán)保的優(yōu)點，充分利用燃油發(fā)動機架構(gòu)，但使用電能
作能量源。如圖1：
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圖1 電力發(fā)動機示意圖
2、電力發(fā)動機組成及運行功能描述
電力發(fā)動機由支架1、曲軸2、一缸連桿3、二缸
連桿4、一缸活塞5、缸體6、二缸活塞7、一缸電磁鐵
組件8、二缸電磁鐵組件9、電力發(fā)動機電子控制單元
l0、四缸電磁鐵組件ll、三缸電磁鐵組件l2、四缸活
塞13、三缸活塞14、三缸連桿15、四缸連桿16、曲軸
位置傳感器17組成。一缸活塞5內(nèi)部嵌入永久磁鐵，
永久磁鐵N極上，S極下；二缸活塞7內(nèi)部嵌入永久磁
鐵，永久磁鐵N極上，S極下；三缸活塞14內(nèi)部嵌入
永久磁鐵，永久磁鐵N極上，S極下；四缸活塞l3內(nèi)
部嵌入永久磁鐵，永久磁鐵N極上，S極下。一缸電磁
鐵組件8包含一缸缸蓋、纏繞在一缸缸蓋上線圈、纏繞
在一缸缸體上線圈；二缸電磁鐵組件9包含二：缸缸蓋、
纏繞在二缸缸蓋上線圈、纏繞在二缸缸體上線圈；三缸
電磁鐵組件12包含三缸缸蓋、纏繞在三缸缸蓋上線圈、
纏繞在三缸缸體上線圈；四缸電磁鐵組件11包含四缸
缸蓋、纏繞在四缸缸蓋上線圈、纏繞在四缸缸體上線圈。
各缸內(nèi)活塞運行原理為：一缸電磁鐵組件8線圈接
入正向電流，一缸活塞5上行；一缸電磁鐵組件8線圈
接入反向電流，一缸活塞5下行；二缸電磁鐵組件9
線圈接入正向電流，二缸活塞7上行；二缸電磁鐵組件
開發(fā)研究
而
9線圈接入反向電流，二缸活塞7下行；三缸電磁鐵組
件12線圈接入正向電流，三缸活塞14上行；三缸電磁
鐵組件l2線圈接入反向電流，三缸活塞14下行；四缸
電磁鐵組件ll線圈接入正向電流，四缸活塞13上行；
四缸電磁鐵組件1l線圈接入反向電流，四缸活塞l3
下行。
電力發(fā)動機運轉(zhuǎn)，，曲軸位置傳感器17不斷向電子
控制單元lO反饋曲軸位置，當(dāng)電子控制單元10接收到
曲軸旋轉(zhuǎn)帶動一缸活塞5下行至下止點位置時，電子控
制單元1O先控制一缸電磁鐵組件8線圈、三缸電磁鐵
組件12線圈斷電，然后控制一缸電磁鐵組件8線圈接
入正向電流、三缸電磁鐵組件l2線圈接入反向電流、
二缸電磁鐵組件9線圈接入正向電流、四缸電磁鐵組件
11線圈接入反向電流；當(dāng)電子控制單元10接收到曲軸
旋轉(zhuǎn)帶動四缸活塞13下行至下止點位置時，電子控制
單元1O先控制二缸電磁鐵組件9線圈、四缸電磁鐵組
件1l線圈斷電，然后控制四缸電磁鐵組件11線圈接正
向電流、二缸電磁鐵組件9線圈接入反向電流、一缸電
磁鐵組件8線圈接入正向電流、三缸電磁鐵組件l2線
圈接入反向電流；當(dāng)電子控制單元10接收到曲軸旋轉(zhuǎn)
帶動三缸活塞14下行至下止點位置時，電子控制單元
10先控制一缸電磁鐵組件8線圈、三缸電磁鐵組件12
線圈斷電，然后控制一缸電磁鐵組件8線圈接入反向電
流、三缸電磁鐵組件12線圈接入正向電流、二缸電磁
鐵組件9線圈接入反向電流、四缸電磁鐵組件11線圈
接入正向電流；當(dāng)電子控制單元l0接收到曲軸旋轉(zhuǎn)帶
動二缸活塞7下行至下止點位置時，電子控制單元l0
先控制二缸電磁鐵組件9線圈、四缸電磁鐵組件11線
圈斷電，然后控制四缸電磁鐵組件11線圈接反向電流、
二缸電磁鐵組件9線圈接入正向電流、一缸電磁鐵組件
8線圈接入反向電流、三缸電磁鐵組件12線圈接入正
向電流；當(dāng)電子控制單元lO接收到曲軸旋轉(zhuǎn)帶動一缸
活塞5下行至下止點位置時，電子控制單元10先控制
一缸電磁鐵組件8線圈、三缸電磁鐵組件12線圈斷電，
然后控制一缸電磁鐵組件8線圈接入正向電流、三缸電
磁鐵組件12線圈接入反向電流、二缸電磁鐵組件9線
圈接入正向電流、四缸電磁鐵組件l1線圈接入反向電
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瓣 J—l：發(fā) 研究 而
流，電力發(fā)動機如此循環(huán)運轉(zhuǎn)下去。
電力發(fā)動機與旋轉(zhuǎn)電機及直線電機關(guān)于運動位移
方向與電磁力線方向的夾角相比，電力發(fā)動機工作中運
動位移方向與電磁力線方向的夾角最小(為0)，旋轉(zhuǎn)
電機工作中運動位移方向與電磁力線方向的夾角次之，
直線電機工作中運動位移方向與電磁力線方向的夾角
最大；也就是，在同等工作條件下(電磁力、位移)，
電力發(fā)動機做功最大，旋轉(zhuǎn)電機做功次之，直線電機做
功最??；換思維之，在同等位移條件下做相同的功，電
力發(fā)動機對電力系統(tǒng)或動力電池要求最低，旋轉(zhuǎn)電機對
電力系統(tǒng)或動力電池要求次之，直線電機對電力系統(tǒng)或
動力電池要求最高。若用電池為直線電機供電，則很難
發(fā)揮動力電池的電容量，這就好比把瓶子給烏鴉當(dāng)水
杯，瓶子裝水的有效功用容量只有總?cè)萘康?／4，烏鴉喝
了1／4水后，必須把瓶子加滿水，否則烏鴉就喝不上水
了。
電力發(fā)動機的缺點不在電能轉(zhuǎn)化機械能方面，而在
將直線往復(fù)運動通過連桿、曲軸轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動方面，
曲柄、連桿機構(gòu)的摩擦損失，活塞往復(fù)直線運動的慣性
損耗等。當(dāng)然，內(nèi)燃機也存在同樣缺點。對于摩擦損失，
后面會詳細(xì)描述預(yù)防措施；對于活塞往復(fù)直線運動的慣
性損耗，可以通過調(diào)整線圈供／斷電時間(有點像點火
提前角)將損耗降至最低，這在開發(fā)控制器時通過研究
分析得以實現(xiàn)，亦可以從運動件選材、造型方面考慮得
以實現(xiàn)。
3、電力發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)
通過改變供給電力發(fā)動機各缸電磁鐵組件線圈電
源時間來實現(xiàn)電力發(fā)動機調(diào)速，既脈寬調(diào)制(PWM)
技術(shù)，如圖2：
圖2 電力發(fā)動機調(diào)速原理框圖
電力發(fā)動機整個調(diào)速裝置由調(diào)速踏板、電子控制單
元、調(diào)速模塊A、調(diào)速模塊B、電磁鐵組件線圈組成。
調(diào)速模塊A接電磁鐵組件線圈一端，調(diào)速模塊B接電
磁鐵組件線圈另一端。如果電子控制單元控制調(diào)速模塊
A，使與之對應(yīng)的電磁鐵組件線圈端接入電源正極，則
電子控制單元就控制調(diào)速模塊B，使與之對應(yīng)的電磁鐵
組件線圈端接入電源負(fù)極；如果電子控制單元控制調(diào)速
模塊B，使與之對應(yīng)的電磁鐵組件線圈端接入電源正
極，則電子控制單元就控制調(diào)速模塊A，使與之對應(yīng)的
電磁鐵組件線圈端接入電源負(fù)極。
調(diào)速模塊A與調(diào)速模塊B是由肖特基二極管、場
效應(yīng)管及電阻、電容、三極管、二級管等電子元器件及
散熱銅片、散熱鑄鐵、塑料殼體組成。
調(diào)節(jié)原理，電子控制單元不斷偵測調(diào)速踏扳位置，
并通過比例積分微分(PID)算法，算出占空比，然后
根據(jù)占空比控制調(diào)速模塊接通或斷開電磁鐵組件線圈
電源，即在活塞從上止點到下止點或下止點到上止點行
程中，根據(jù)占空比算出電磁鐵組件線圈接通電源的活塞
行程與電磁鐵組件線圈斷開電源的活塞行程。
調(diào)速踏板、電子控制單元、調(diào)速模塊A、調(diào)速模塊
B、電磁鐵組件線圈的詳細(xì)的協(xié)調(diào)工作、位置控制分析，
請讀者參閱本文第二部分及本文參考文獻(xiàn)列出的《變頻
技術(shù)原理與應(yīng)用》；具體轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定控制的信
息，請讀者參閱電動白行車相關(guān)控制策略及控制算法。
4、電力發(fā)動機運轉(zhuǎn)零部件降低摩擦措施
電力發(fā)動機不像燃油發(fā)動機那樣產(chǎn)生大量的熱量，
因此不需要特別的冷卻系統(tǒng)，但是如果運動零部件摩擦
問題處理不好，仍然會因摩擦產(chǎn)生大量的熱量，甚至燒
蝕零部件。
電力發(fā)動機缸體無須密閉空間，缸體無須承擔(dān)燃燒
爆發(fā)力，因此缸體結(jié)構(gòu)可制作得緊湊些。由于這些特點，
電力發(fā)動機運動零部件運轉(zhuǎn)在半封閉空問，也就不能向
燃油發(fā)動機那樣使用機油飛濺潤滑與冷卻。對于曲軸與
支座之間潤滑，采用潤滑脂方式潤滑；對于缸體與活塞
之間，除了采用采用潤滑脂方式潤滑外，還從結(jié)構(gòu)上加
以考慮，如圖3：
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1是缸體，2是潤滑脂。3是鋼珠，4是活塞，5是活塞銷，6是連桿。
在活塞中，原先放活塞環(huán)的位置，放鋼珠3．并且其余間隙充滿潤滑脂
活塞4與缸體1之間充滿潤滑脂；活塞銷與連桿之間充滿潤滑脂。
／ ＼
、＼
＼
圖3 電力發(fā)動機活塞潤滑結(jié)構(gòu)示意圖
5、電力發(fā)動機應(yīng)用方案
電動汽車可以采用24缸電力發(fā)動機，缸徑29mm，
保證總長在lO00mm 之內(nèi)，各缸以曲軸旋轉(zhuǎn)軸線軸向
投影點為中心，星型布置，沖程58mm，則可保證整個
電力發(fā)動機布置在直徑600mm，長lO00mm的空間內(nèi)，
整個缸體可采用鋁合金材料，因為半封閉結(jié)構(gòu)，連桿大
頭與曲柄銷間采用潤滑脂潤滑，提高曲柄連桿機構(gòu)的機
械傳動效率；采用市面上已經(jīng)成熟的電動自行車電池，
如鎳氫電池，鉛酸電池等，且每一只電動自行車電池只
為一組電磁鐵組件線圈供電，這樣，就需要24只電池。
如果每只電動白行車電池規(guī)格為電壓36V，電容量
為20AH，并且滿負(fù)荷放電電流為5A，充電電流為2A，
則可計算出充電時間為(20Ah／2A)1Oh，放電時間為
(20Ah／5A)4h，功率為(36V*5A)l80W。
如果24只電動自行車電池與24缸電力發(fā)動機組成
電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)，則每戶家庭220V電源需承受
窒
Developing Research
(36V*2A*24)1728W 負(fù)載，連續(xù)為由24只電動自行
車電池組成的電動汽車電池充電10h。電動汽車充滿一
次電，可以以(36V*5A*24)4320W 驅(qū)動功率連續(xù)行
駛4h。
如果每只電動自行車電池成本為900元，則24只
電動自行車電池成本為21600元，即這種電動汽車電池
成本為21600元，以作者所在單位的實力，市場價6
萬以內(nèi)的這種電動汽車肯定可以制造出來。
含有電力發(fā)動機的電動汽車，采用成熟的傳統(tǒng)燃油
發(fā)動機的多缸動力成組技術(shù)，并采用市面上成熟的電動
自行車電池，沒有高電壓。這種電動汽車運行起來，相
當(dāng)于24輛電動自行車同時運行，動力強勁，調(diào)節(jié)性能
好。
目前，動力電池技術(shù)路線多種多樣，鋰電池的技術(shù)
方案非常多，性能不斷提升，成本不斷降低，安全性也
越來越高。隨著動力電池技術(shù)越來越成熟，與電力發(fā)動
機技術(shù)一起應(yīng)用到整車上，整車動力驅(qū)動系統(tǒng)性能一定
能大幅提升 得到潛在消費者的認(rèn)可，相信在不久的將
來， 電動汽車一定會成為新能源汽車的主流。
參考文獻(xiàn)
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贏麗

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