基于涡扇螺旋磁电机的新能源汽车节能技术研究*

严继超，车登涛，谢博杰，石 豪

（广东工业大学华立学院，广州 511300）

0 引言

21世纪，交通能源是全球将要面对的挑战。从1973年到1999年，世界发生了3次石油危机，导致大规模世界范围的战争，触发了大规模的全球经济危机，对世界经济发展产生了重大的影响[1]。当今社会存在一重大矛盾，即越来越受重视的环境以及越来越少的资源之间的矛盾，这一矛盾促使世界各国都在寻找新型能源去代替传统能源，常规的石油、柴油这些汽车燃料是以牺牲环境为代价的能源，这些燃料在数量方面存量十分有限，并且资源分布不均匀，常常是对环境有重大的破坏作用[2]。而汽车行业是石油消耗的第一大产业，据目前数据分析，我国汽车行业占石油消耗总量的1/3，中国目前已经成为世界第三大石油进口国、第二大石油消费国[3]。我国面对的石油消耗与交通能源问题非常严峻，汽车行业的改革是大势所趋，推广可再生能源的新型燃料，优化能源结构、发展清洁环保的可再生能源迫在眉睫，风能作为可再生绿色能源的标志，其丰富且无污染，是一种清洁环保的可再生能源，如果可以利用在新能源汽车，必定还可以节省更多能源。

而且随着全球的气候变暖，人们开始对温室效应重视，BNEF重磅发布：在2019年全球陆上风力发电的新增装机容量为53.2 GW，海上风力发电的新增装机容量达到7.5 GW的历史最高水平。其中，中国的装机量位居世界前列。中国在2019年新增装机容量为28.9 GW，其中陆上风力发电的新增装机26.2 GW，海上风力发电的新增装机2.7 GW，全球市场占比48%[5]。各个国家都竞相发展各种新能源技术，包括风能在内的可再生能源技术，而新能源汽车作为一种电能汽车，可以利用行驶带来风力发电来增加其行驶路程，而且随着社会生活水平的提高，新能源汽车逐渐受到人们欢迎，生产量也大，如果每台新能汽车运用到这项技术，就可以省下较多的能源[6]。

1 涡扇螺旋磁电机的工作原理及其节能原理

1.1 工作原理

作为一种利用风能的发电装置，螺旋磁电机以风为工作介质，扇叶为动力源，整个装置由风力部分和发电机电力部分组成。其工作原理：在汽车行驶过程中，由风力带动扇叶转动，扇叶通过主轴传动系统和带传动系统，带发电机启动，从而实现风能向电能的转换，WINPOWER控制器系统对发电机进行监控，通过汽车多媒体显示，在新能源汽车电池满电的情况下关闭风力部分进风涵道，停止发电从而保护电池。

1.2 节能原理

作为一款节能的新能源汽车装置，装置并没有提升汽车的阻力，而是充分的利用了传统的新能源汽车的结构进行改进安装，在没有增大风阻的情况下而利用风能发电，根据能量守恒定律，对于装置来说输入能量大于损耗能量，而对于新能源汽车整体来说，未安装节能装置的新能源在行驶过程中获得的能源小于安装节能装置新能源汽车行使中获得的能源，从而可以起到了节能和提高新能源汽车续航的作用[7]。

2 涡扇螺旋磁电机

涡扇螺旋磁电机大体上由风力部分和发电两大体部分组成，风力部分由外壳、风扇、风扇前塞、轴承、轴承垫片、带主动轮、推力轴承固定器、推力轴承组成。而电力部分由风力发电机和风力发电机控制器和充电管理模块组成。如图1所示。

图1 风电发电部分和发电机

2.1 涡扇螺旋磁电机的风力部分结构功能及其说明

涡扇螺旋磁电机的风力部分由2个风扇带动主轴转动，从而带动发电机转动，前端风扇的作用主要利用风能转化为动能，后端风扇的作用起到平行的作用，单个风扇的叶片数由3～6个扇叶组成，前端风扇和后端风扇都有个风扇前塞装置，主要是为了防止风扇在高速旋转的时候脱落或者在新能源汽车出碰撞事故时，由于猛烈的撞击而导致风扇飞出导致人员受伤。主轴在与外壳装配采用2个轴承装配，分别在接近于两端的风扇，目的为了减少汽车在不规则运动时导致主轴不平行而使动能损耗和主轴的磨损[8]，而且轴承采用镶入设计，镶入外壳里，然后用轴承垫片将轴承紧锁于外壳里防止汽车高速行驶时候的颠簸导致掉落。在风力部分里还有主要的推力轴承，主要用来抵抗由风力带来的轴向力，推力轴承固定器主要连接在主轴上然后固定推力轴承。中间部分为带主动轮，主要用于轴和发电机之间传动，采取带传动主要为了汽车行驶过程中造成较大的噪声，如图2所示[9]。

图2 左端为风力发部分前端

2.2 涡扇螺旋磁电机的电力部分组成及其介绍

电力部分主要有变压器模块和保险丝模块，蓄电等几部分组成。因为风力发电机的输出电压远远小于纯电和混动新能源汽车蓄电池的额定充电电压，所以为了提供足够的、高的电压给蓄电池，必须要用到变压器模块，变压器内部安装了GPRSDTU模块，可实现在线监控。基于单片机控制的可调容量节能型变压器以单片机为控制处理中心，通过负载数据的采集，驾驶员可随时查看变压器的运行状况，能够远距离控制变压器高低档位之间是否需要进行切换[8]。随着风速增大，叶轮转速增高的同时，风力发电机的输出功率也必然增大，而风力发电机的转子线圈和其他电子元件的超载能力是有一定限度的，不能随意增加。这种情况会造成风机的飞车失控，烧毁整流控制电路，损坏蓄电池，由于风力发电系统所发的电直接供给新能源汽车的蓄电池，而蓄电池的维修成本价格昂贵，所以选用合格的保险丝模块非常重要。为了防止发电机在运行过程中损坏蓄电池，所以应该在变压器模块后加入保险丝模块，有效防止发电机和变压器模块出现故障或者过载损坏蓄电池。即当电路发生故障时，电路过载或者电流过大时，保险丝模块便会熔断，进而保护电路。保险丝模块后连接蓄电池和WINPOWER控制器，WINPOWER控制器主要由单片机和车载多媒体组成，具体流程如图3所示[10]。

图3 电力系统框架

在保险丝模块后加入WINPOWER控制器，WINPOWER控制器通过单片机实时检测蓄电池的充电电压和充电电流，并通过控制风力发电机充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流，确保蓄电池既可以充满，又不会损坏，根据蓄电池的结构和工作原理，在蓄电池电量不足时（亏电状态下），在蓄电池允许的范围内以较大的电流进行快速充电，避免蓄电池活性物质脱落，同时又保证蓄电池的电量得到快速补充，从而确保了蓄电池的使用寿命[11]；其中，WINPOWER控制器通过汽车多媒体显示蓄电池电压和充电电流，使得用户能够直观了解蓄电池的电压状态，从而使产品设计更加人性化；同时，数字化智能控制，核心器件采用功能强大的单片机进行控制，使得外围电路结构简单，且控制方式和控制策略灵活强大，从而确保了优异的性能和稳定性[12]。

3 涡扇螺旋磁电机安装

涡扇螺旋磁电机主要安装在汽车的两侧，接近于将汽车的前端与前车轮位置相近，由于车轮的高速旋转，在车轮附近的流速V很高，可以带动风力部分里面的空气流速，提升涡扇螺旋磁电机的进风量，如图4～5所示。

图4 安装图正视图

图5 安装图右视图

4 虚拟仿真与数据校核

本产品可根据汽车的车型调节选用发电机的尺寸和扇叶大小的选用。当选用扇叶直径尺寸为20 cm，扇叶数为3片，中心轴为2 cm。在额定的风速下，扇叶的边缘转速为44 m/s。最高风速不能超过100 m/s时，选定风力发电机的额定功率为800 W。分别对不同速度下进行仿真，得出数据。

当新能源汽车行驶速度为60 km/h时，相对风速15.8 m/s，有效风速13.8 m/s，风力发电系统的额定转速为44 m/s，额定输出功率为800 W，可知：P＝250W。所以经计算新能源汽车在60 km/h的速度行驶时输出单个涡轮螺旋磁电机输出功率为250 W，当对称安装2个镶入车身时功率可达到500 W。

当新能源汽车行驶速度达到100 km/h时，相对风速为26.5 m/s，有效风速为21.4 m/s，风力发电系统额定转速为44 m/s，额定输出功率为800 W，可知：P＝389 W。所以经计算新能源汽车在100 km/h的速度行驶时，单个涡轮螺旋磁电机输出功率为389 W，当对称安装2个镶入车身时功率达到778 W。

当新能源汽车在极端的速度行驶时，速度达到120 km/h，相对风速33 m/s。汽车逆风行驶时，取自然风五级计算，即10 m/s，新能源汽车相对风速可达到43 m/s，有效风速为34.4 m/s，风力发电系统额定转速为44 m/s，额定输出功率为800 W，可知：P＝625 W。当自然风速度更加大时，未能超出额定功率达不到过载状态，系统安全，当对称安装2个涡轮螺旋磁电机时功率可达1 250 W。

经检验，该风力发电系统能够为汽车提供驾驶室内的电器元件用电，当高速行驶时还能为空调等大型耗电原件减少压力，有效为新能源汽车供电，极大程度上减轻了新能源汽车耗电压力，有效地增强汽车的续航里程数。

5 结束语

本文针对目前大多数新能源汽车充电较麻烦而且续航能力低等问题，设计了一款应用于汽车行业的涡扇螺旋磁电机。此款涡扇螺旋磁电机设计构造简单，维护成本低，主要利用汽车在行驶过程中的风能转变成电能。通过能量守定律证明，在没有增加汽车总体风阻的情况下，增加了汽车的能源输入，通过计算和实验验证，此涡扇螺旋磁电机对汽车续航能力起到一定的提升作用，而且大量汽车安装使用可为人类节省到不少的能源，起到一定的节能和环保作用，并解决新能源汽车充电频繁和续航里程数低的问题。