汽车创意设计论文类《具有无线电磁传感充电功能的磁悬浮混合动力汽车》

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具有无线电磁传感充电功能的磁悬浮混合动力汽车

摘要

随着社会的不断发展进步，贸易、旅游等行业的发展和频繁需求，人们对出行交通的便捷、舒适、安全及准点率均寄予厚望。能源危机、环境保护呼声的日趋高涨，发展和普及电动汽车等新能源汽车是当下的主流呼声。虽然国内外纯电动汽车和插电式混合动力汽车的量产和销售已经开始，但还并不是真正属于未来的理想汽车。什么才是未来理想的新动力汽车呢？什么才算得上新动力创意？我们应该有发现“超导体”的思维，对于未来汽车换一种思维去架构新的理论才有可能突破。所以，我们大胆的提出了无线传感充电磁悬浮混合动力汽车。希望能够弥补纯电动汽车电池充电、行驶距离和最高时速的不足，也为传统混合动力汽车引入新的动力结合方式——在传统路面纯电动模式行驶，当进入磁悬浮轨道后，能同时利用磁悬浮提供牵引力和对汽车电池进行电磁感应式无线充电。

关键词：磁悬浮 无线充电 新混合动力

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第一章. 绪论

随着社会的不断发展进步，贸易、旅游等行业的发展和频繁需求，人们对出行交通的便捷、舒适、安全及准点率均寄予厚望。但交通拥堵以及行班的延误已成为困扰人们正常生活的大问题。能源危机、环境保护呼声的日趋高涨，发展和普及电动汽车等新能源汽车是当下的主流呼声。展望未来几十年的汽车新动力来源，结合当下已经量产或出于试验阶段的国内外新型环保汽车，主要有以下五种，纯电动汽车(EV)、插电式混合动力汽车(PHEV)、太阳能汽车、氢动力汽车、生物燃料汽车。其中太阳能汽车、氢动力汽车和生物燃料汽车因为其安全性和实际利用效率，发展前景并不明朗。虽然国内外纯电动汽车和插电式混合动力汽车的量产和销售已经开始，但还并不是真正属于未来的理想汽车。什么才是未来理想的新动力汽车呢？什么才算得上新动力创意？我们应该有发现“超导体”的思维，对于未来汽车换一种思维去架构新的理论才有可能突破。所以，我们大胆的提出了无线传感充电磁悬浮混合动力汽车。希望能够弥补纯电动汽车电池充电、行驶距离和最高时速的不足，也为传统混合动力汽车引入新的动力结合方式——在传统路面纯电动模式行驶，当进入磁悬浮轨道后，能同时利用磁悬浮提供牵引力和对汽车电池进行电磁感应式无线充电。

第二章. 研究背景和意义

2.1 新能源汽车发展

汽车工业是国民经济的支柱产业，它与人们的生活息息相关，已成为现代社会必不可少的组成部分。但是，以石油为燃料的传统的汽车工业，在为人们提供快捷、舒适的交通工具的同时，增加了国民经济对化石能源的依赖，加深了能源生产与消费之间的矛盾。随着资源与环境双重压力的持续增大，发展新能源汽车已成为未来汽车工业发展的方向。我们必须意识到，即便如今已经有纯电力和混合动力的汽车，但实际上他们都直接或者间接地使用化石燃料，因此，这并不算是真正的环保汽车。纯电力汽车非常适合于城市短距离的旅行。它的动力产生于大型电池盒电动马达的运转。这种汽车的最大优点是不会排放含有二氧化碳的尾气，因此不产生污染气体。某种程度上说，电力汽车的确是环境友好型汽车。但是如今电力汽车的行驶范围普遍只有160公里，而后需要充电。混合动力汽车结合了电力汽车和汽油汽车的优点，当电动车需要高速或高负荷时，发动机和电机-发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆；当汽车开始减速或者静止不动时，由于内燃机可持续工作，富余的功率可发电给电池充电，因此比电力汽车的行驶距离要长。目前，即便

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有了更高效的装置，我们仍然依赖于汽油，如今的燃油混合动力汽车并不能算是真正的未来环保汽车，只能是汽车不断发展的一个过渡产物，需要更高效、环保的混合动力汽车。

2.2 新型交通运输方式的出现

汽车、喷气式客机、内燃机车组成的传统交通是环境污染的大户。中国的大城市现在已和世界绝大多数城市一样, 污染空气的元凶为汽车的尾气, 机动车排放的污染物占城市大气污染物的比例高达40% ~ 60%,并正以每年2% ~ 3%的比例增加。为了摆脱传统交通所面临的困境, 世界各国都依托高科技途径, 研究构建资源节约型(节地、节能)和环境友好型(低碳、绿色)的未来城市交通和城际交通: 转入地下, 实现节地; 以电力驱动, 摒弃燃料直接驱动, 实现绿色环保; 以磁悬浮摒弃轮轨摩擦, 实现节能低碳; 在真空隧道中运行, 摒弃车厢高速运行时的空气摩擦, 实现进一步的节能低碳。真空管道磁悬浮运输系统就是一种未来可以依赖的交通运输方式。它能解决由于我们人类过于依赖不可再生能源所要面临的能源枯竭问题，且能让我们的交通运输方式有质的变化。

第三章. 磁悬浮基本原理

3.1 磁悬浮概论

进入20世纪70年代以后，伴随世界工业化国家经济实力的不断加强，交通运输能力急需跟上经济全球化发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。而美国和前苏联则分别在七八十年代放弃了这项研究计划。目前，只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究。德国侧重于常导磁悬浮铁路方面的研究并成功进行了载人试验；而日本则把重心放在了超导磁悬浮铁路技术的研究上，也取得了载人试验的成功。他们都在磁悬浮领域取得了令世人瞩目的进展。

3.2 磁悬浮基本原理

磁悬浮列车是依靠磁吸力或磁斥力将列车悬浮于空中并进行导向，利用线性电机驱动列车运行，让列车可以在距离轨道100mm的高度飞行。磁悬浮高速列车系统主要由悬浮系统、导向系统和驱动系统组成。

3.2.1 悬浮系统

目前悬浮系统的设计分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。如图3.1所示为列车的悬浮系统。

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1-隧道；2-客厢；3-轨道；4-轭铁；5-线圈绕组

图 3.1列车的悬浮系统

(1)电磁悬浮系统（EMS）是一种磁吸力悬浮系统。它是依靠列车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。

(2)电力悬浮系统（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在起飞和着陆时进行有效支撑，这是因为EDS在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮。EDS系统在低温超导技术下得到了更大的发展。

3.2.2 推进系统

磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的转子一样被推动做直线运动，从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个极线圈，现在变为极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。

3.2.3 导向系统

导向系统是一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。必要的推力与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。

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第四章. 无线充电技术基本原理

4.1 无线充电基本原理

电动汽车用的非接触式无线充电技术有3 大类，分别为电磁感应式、微波式和电磁共振式( 如图4.1 所示) 。其中电磁感应式利用线圈间产生的电磁感应现象传输电力; 微波式利用天线发射和接收微波进行电力传输; 电磁共振式利用共振电路之间的共振现象进行供电。

图 4.1无线充电方式

目前电磁感应式充电是最接近实用化的充电技术，已经进入验证阶段。电磁感应式基本可以认为是变压器的一种，为实现强耦合、应对大气隙，电磁感应式充电技术中以铁芯和绞合线线圈为主流。

4.2 单面绕组和双面绕组

无线充电装置的构造可以大致分为方形芯双面绕组构造圆形芯单面绕组构造。通常大多使用背面没有磁通量、耦合系数k高的单面绕组。双面绕组在背面有磁通量泄漏，但是如果设置铝板的话可以屏蔽泄漏，从而提高耦合系数k。气隙相同时，相对于单面绕组的芯需要2 倍的宽度( 线圈宽b +磁极宽2a)，双面绕组仅为其一半，所以双面绕组可以实现大幅度小型化。

4.3 Flux Pipe 构造

奥克兰大学的小组发表了Flux Pipe 构造的无线充电装置。Flux Pipe构造在连接左右磁极Tx /Rx的中间芯的两端缠绕分成2部分的线圈(双面绕组)，为防止中间芯处磁通量泄漏，

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通过上下两块铝板(电气非接触)夹住中间芯和线圈。由于主磁通Flux 从夹在上下两块铝板中间的Pipe 中通过，所以称为Flux Pipe。

4.4 H型芯双面绕组构造

日本埼玉大学的小组将乘用车用无线充电装置的小型化和左右方向位置偏移容许量的增大放在最重要位置，从最初开始就采用了双面绕组构造。为提高效率而在背面设置铝板，提高k的同时屏蔽了磁通量向外部的泄露。最新的H型芯双面绕组构造中，与方形芯双面绕组构造相比，由于绕组线长度缩短和用铁量减少达到轻量化，同时由于绕组线长度缩短( 绕组线阻抗降低)，达到高效率，还由于磁极长度增大左右位置偏移容许量扩大，另外采用更高的电源频率(30kHz)，实现高效率。

第五章. 创意方案设计

5.1 磁悬浮混合动力汽车混合牵引力方式

5.1.1 传统路面的电动牵引力模式

此模式采用单一蓄电池作为储能动力源。它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车前进。所以，能够完全达到零排放。

传统的旋转电机车辆牵引方式是由电机旋转产生动力，通过一定的机械传动装置（齿轮和联轴节）传到轮轴上，再借助轮轨间的粘着作用形成牵引/制动力，牵引或制动车辆（如图5.1所示）。

图 5.1传统路面电动牵引力示意图

5.1.2 磁悬浮轨道的电磁牵引力模式

现如今，真空管道磁悬浮轨道运输系统已经取得了较好的成果。而我们设计的这种新混合动力模式则是建立在这种未来运输方式的基础上。

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在磁悬浮轨道运输中，采用的是直线电机车辆牵引方式，利用直线电机的车载定子与地面感应板的直接电磁作用，产生牵引、制动力，完全不需借助轮轨相互作用（如图5.2所示）。直线电机车辆采用直线电机牵引，轮轨系统支撑导向，可称为非粘着驱动系统。

图 5.2磁悬浮轨道的电磁牵引力示意图

电动汽车的动力系统多采用旋转电机，动力经传动系统传递到车轮。直线电机在直线运动领域有着无可比拟的优越性。它是一种将电能直接转换成直线运动的机械能、而不用任何中间转换机构的传动装置。直线电机具有起动性能好、无污染、噪声低等优点；而且由于直线电机的初级对次级具有5～8倍推力的吸力特点，故便于使用磁悬浮技术。汽车在车体内安装有超导线圈,轨道上分布有按一定规则排列的短路铝环。当超导线圈内通电时就产生强磁场,在列车以一定速度前进时,该强磁场就在路轨的铝环内产生感应电流,两者相互排斥而产生上浮力。速度愈大这个排斥力就愈大,当速度超过一定值(时速80km 以上) 时,列车就脱离路轨表面,最大距离可达数100mm以上。

5.2 与磁悬浮技术结合的无线电磁传感充电方式

5.2.1 无线充电技术

磁悬浮技术与无线电磁传感充电的共同点在于轨道与汽车之间产生的电磁现象，当进行无线充电式，安装于轨道的一次绕组和安装于车体上的二次绕组，通过电磁传感对汽车内的电池进行充电，从而达到汽车边行驶边充电。在汽车离开磁悬浮轨道后，电池重新获得足够的电力，继续采用电动牵引模式。

5.2.2 电动汽车用无线充电技术的特点

由于电动汽车的特殊使用环境和条件，其无线充电技术有以下特点: (1) 一次线圈和二次线圈间的气隙大; (2) 一次线圈和二次线圈间存在位置偏移; (3) 车载装置( 二次线圈) 必须要小型轻量化; (4) 电磁辐射安全; (5) 高效率低成本。

气隙大小根据二次线圈在车上的安装位置和一次线圈在轨道的设置而不同。二次线圈安装在车的底部、一次线圈埋设在地面以下的话，气隙长度至少为最小离地间隙(约150 mm) 。减小气隙可以实现无线充电装置的小型轻量化、高效率、低价格，磁通量泄漏也会

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减少。为方便施工，可以采用在轨道地面上设置一次线圈的方式，这样气隙约为50 ～ 100 mm。充电装置必须要有很强的对应位置偏移的能力。如果使用车轮挡块，前后方向的位置偏移可以控制在± 50 mm 以下，左右方向的位置偏移允许± 150 mm 的偏差。

1- 安装于隧道的一次绕组；2-安装于车体上的二次绕组；3-里兹电缆

图 5.3感应式充电系统

如图5.3所示，在感应式电能传输系统中，主电源由交流电提供，用于给一个集总圈提供电压，电流范围为5安培到125安培。由于集总圈是感应式的，必须要利用串联或并联电容器来减小供电电路中的工作电压和工作电流。电能接收垫线圈与主电源线圈通过磁性相连。通过调节接收垫线圈的工作频率，使其与配有串联或并联电容器的主电源线圈相一致，从而实现电能传输。另外，还需要一个开关控制器用来对电能传输进行控制。

参考文献

[1] 郭久亦.2030能源展望与节能（下）. 世界环境·热点关注

[2] 常丽君. 感受“飞车”充电的惬意 美开发高速公路电动汽车无线充电技术. 科技日报.2012.2.11

[3] 王素玉. 车载高温超导磁悬浮系统的设计. 西南交通大学超导技术研究所.低温与超导.2001.1

[4] 李炎炎. 真空管道运输系统管道实验模型概念设计. 硕士研究生论文.2008.3

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wd6e.html