輪轂電機的結(jié)構(gòu)、控制技術(shù)及應(yīng)用前景

輪轂電機即是在車輪內(nèi)裝電機，它的最大特點就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi)，因此將電動車輛的機械部分大大簡化。

輪轂電機技術(shù)并非新生事物，知名的汽車大師費迪南德·保時捷就在1896年獲得到了英國賦予的輪轂電機發(fā)明專利，裝備輪轂電機的電動車也隨之誕生，早在1900年，人類已經(jīng)制造出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車，在20世紀70年代，這一技術(shù)在礦山運輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

而對于乘用車所用的輪轂電機，日系廠商對于此項技術(shù)研發(fā)開展較早，目前處于領(lǐng)先地位，包括通用、豐田在內(nèi)的國際汽車巨頭也都對該技術(shù)有所涉足。

輪轂電機的結(jié)構(gòu)

輪轂又叫輪圈、胎鈴，是輪胎內(nèi)廓支撐輪胎的圓桶形的、中心裝在軸上的金屬部件，從造型設(shè)計、材料運用，尺寸上都有所不同。

在19世紀末20世紀初的這段時間，輪輞、輪轂、輻條開始通過鑄造工藝合為一體，輪轂樣式開始發(fā)生了變化，緊接著就是就是我們現(xiàn)在會用到的鋼輪轂。

鋼輪轂的特點就是看起來非常的沉重和樸實，且配色單一，隨著汽車工業(yè)發(fā)展，顯得與外觀設(shè)計格格不入。

20世紀30年代，德國人在技術(shù)上的突破為鋁合金輪轂的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；在1958年，出現(xiàn)了整體鑄造的鋁合金輪轂，現(xiàn)在市面上大部分車型都配備了鋁合金輪轂。鋁合金輪轂的特點造型多樣化，重量輕，相比鋼輪轂就是質(zhì)的飛躍啊。

輪轂除了設(shè)計樣式、類型不同之外，但很多的構(gòu)成部分都是一樣的，主要由輪輞與輪輻構(gòu)成。另外所有輪轂包含的參數(shù)很多，例如、邊槽級別、稱重級別、孔距、偏距、寬度等等。

好了，介紹完的輪轂一些小知識，我們還是來點“裝逼”的進階知識---輪轂電機。前面我們說過，輪轂電機就是裝在輪轂里的電機（好吧，是很裝逼），他的特點是：

省略大量傳動部件，讓車輛結(jié)構(gòu)更簡單

對于傳統(tǒng)車輛來說，離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器都是必不可少的，而這些部件不但重量不輕、讓車輛的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，同時也存在需要定期維護和故障率的問題。但是輪轂電機就很好地解決了這個問題。

除了結(jié)構(gòu)更為簡單之外，采用輪轂電機驅(qū)動的車輛可以獲得更好的空間利用率，同時傳動效率也要高出不少。

可實現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動方式

由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅(qū)動的特性，因此無論是前驅(qū)、后驅(qū)還是四驅(qū)形式，它都可以比較輕松地實現(xiàn)，全時四驅(qū)在輪轂電機驅(qū)動的車輛上實現(xiàn)起來非常容易。

同時輪轂電機可以通過左右車輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)實現(xiàn)類似履帶式車輛的差動轉(zhuǎn)向，大大減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向(不過此時對車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)和輪胎的磨損較大)，對于特種車輛很有價值。

給個形象的比喻吧，輪轂電機就是黑科技啊，簡直就是現(xiàn)代版的“風(fēng)火輪”有木有。

它將動力、傳動系統(tǒng)和制動裝置都整合到輪轂內(nèi)，得以將電動車輛的機械部分大為簡化，同時可以輕松實現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動方式。

這種黑科技經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，漸漸的從高效率的無刷電機淘汰了有刷電機；直接測量電機反電動勢而知道轉(zhuǎn)子的位置，進行換相。

在啟動前就知道轉(zhuǎn)子和定子的相對位置而使用傳感器；從磁鋼材料的更新慢慢淘汰齒輪；日新月異。下面我們通過一些圖例分解一下輪轂電機的機構(gòu)：

輪轂電機外形基本一致,大都為扁平型，但電機類型、結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式差別較大，分類如下：

按電機類型分類：目前應(yīng)用于電動輪轂的電機主要有四大類，即永磁電機(PM)、異步電機(IM)、開關(guān)磁阻電機(SRM)和橫向磁通電機(TFM)。這其中，永磁電機的應(yīng)用最為普遍，而橫向磁通電機則是一類極具競爭力的低速大扭矩新型電機。

按結(jié)構(gòu)形式分類：從主磁通行經(jīng)路徑看，它囊括了徑向磁場(radial )、軸向磁場(axial )、橫向磁通(transverse)全部三種基本形式。從運動方式看，亦有內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子之分。

其中，雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最有新意。內(nèi)轉(zhuǎn)子主動，外轉(zhuǎn)子從動，二者通過一組行星齒輪傳遞動力，實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，使磁場切割導(dǎo)體的速度為內(nèi)、外轉(zhuǎn)子速度之和。

顯然，這種速度迭加以及機械聯(lián)動的巧妙組合，既給電機設(shè)計帶來了張馳空間，又起到了緩釋負載擾動、平抑沖擊負荷、有效保護電池的作用。

按驅(qū)動方式分類：直接驅(qū)動時，電機多采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子直接帶動輪轂旋轉(zhuǎn)，因而轉(zhuǎn)速較低。與此相對應(yīng)，間接驅(qū)動時，電機則多為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速較高，通過行星輪加齒環(huán)機構(gòu)實現(xiàn)減速，帶動輪轂旋轉(zhuǎn),因而也稱之為減速驅(qū)動。

按旋轉(zhuǎn)速度分類：輪轂電機還有高速和低速之分，但對應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍并沒有明確的界定，視應(yīng)用對象不同而不同。

通常，僅當驅(qū)動方式確定之后，高、低速范圍的界定才具有相對準確的含義，即直接驅(qū)動一般對應(yīng)于低速電機(體積大，耗材多，功率密度小，噪聲低)，而間接驅(qū)動則多對應(yīng)于高速電機(體積小,耗材少，功率密度大，噪聲高)。

純電轎車所采用的輪轂電機的驅(qū)動方式為外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動，電機定子、轉(zhuǎn)子以及逆變器集成為一體，由8個邏輯上的子電機組成，使用共同的轉(zhuǎn)子，并通過算法實現(xiàn)各子電機的獨立、協(xié)同控制。

這種“分布式”的結(jié)構(gòu)可降低對每個子電機的功率要求，因此可以采用小體積、低成本的功率電子器件，使得整個電機可以集成得非常緊湊；

而通過對8個子電機進行合理的協(xié)同控制，可將各子電機輸出的功率、扭矩進行疊加，實現(xiàn)整個電機強勁的驅(qū)動力；同時，若其中1個子電機發(fā)生故障，其他的電機仍可以繼續(xù)正常丁作，而不會導(dǎo)致汽車直接拋錨。

輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子形式主要分為兩種結(jié)構(gòu)形式：內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。其中，外轉(zhuǎn)子型具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、調(diào)速范圍寬、輸出轉(zhuǎn)矩大、噪音低、效率高等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為輪轂電機的主流結(jié)構(gòu)。

輪轂電機的控制技術(shù)

輪轂電機工作原理示意如下：

圖1

圖2

無刷電機啟動前想知道轉(zhuǎn)子和定子的相對位置必須使用傳感器。無感電機直接測量電機反電動勢而知道轉(zhuǎn)子的位置，由控制器驅(qū)動功率管進行換相。

雖然存儲器能記錄定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，但對于極緩慢的轉(zhuǎn)動 系統(tǒng)將無法理解電機繞組反電動勢的波形。電機達到一定轉(zhuǎn)速時由于受慣性限制波峰波谷都代表一定的角度，剎車時就關(guān)閉電機。所以使用磁傳感器的輪轂電機是主流。

輪轂電機原理圖紅色磁鋼轉(zhuǎn)子處在死角位置，要靠藍色磁鋼轉(zhuǎn)子上方的繞組通電，走出死角。圖2所示電機就沒有死角，只要知道轉(zhuǎn)子的位置，就知道怎樣驅(qū)動功率管。

圖1圖2所示電機看上去象是把直線電機卷了起來，繞組通電 好比是用食物引誘著驢子（磁鋼）不停地跑，卻總保持著一段距離，它功率較大，比較重結(jié)構(gòu)簡單噪音低。

磁力手動齒輪離合高速無刷輪轂電機利用三個大而薄的2模鋼齒輪減速來得到所需動力。需要滑行時 由偏心離合手柄拉動軸心離合傳動的軸、活塞及拉鉤，使電機齒輪外轉(zhuǎn)子端蓋位移，電機齒輪與傳動齒輪分離。不要滑行時利用電機磁力復(fù)位實現(xiàn)齒輪手動嚙合，其離合機構(gòu)簡單，省去 超越離合器。

其控制技術(shù)有：無位置傳感器控制技術(shù)，無位置傳感器位置信號檢測方法有 4 種：

1.反電勢法

該方法最成熟、最有效、也是最常見的方法。其基本原理是將檢測到的斷開相反電動勢過零信號延時 30°電角度得到功率管的開關(guān)信號。由于電機靜止或電機轉(zhuǎn)速較低時，反電勢信號沒有或較弱，因此反電動勢法一般與“三段式”啟動技術(shù)配套使用。

2.繼流二極管法

該方法通過檢測反并聯(lián)與逆變橋功率開關(guān)管上的繼流二極管的導(dǎo)通狀態(tài)來確定轉(zhuǎn)子的位置。

3.電感法

該方法通過檢測繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置的改變而發(fā)生的變化，再通過一定的計算，可得到轉(zhuǎn)子的位置信號。

4.狀態(tài)觀測器法

該方法是將電機的三相電壓、電流作坐標，在派克方程的基礎(chǔ)上估算出電機的轉(zhuǎn)子位置。有于坐標變換只考慮基波分量，該方法主要用于正弦波反電動勢的PMBLDCM。

（1）轉(zhuǎn)矩脈動抑制

永磁無刷直流電動機在理想情況運行時應(yīng)滿足：三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流為方波，反電動勢為梯形波，且在每半個周期內(nèi)，方波電流持續(xù)時間為 120°電角度，梯形波反電勢平頂部分也為 120°電角度，兩者嚴格同步，此時電機將產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。但在實際運行中，電機總存在轉(zhuǎn)矩脈動，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的原因和抑制方法有以下幾種：

a）電磁因素產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動。

該類型的轉(zhuǎn)矩脈動是由于定子電流和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用而產(chǎn)生的。

抑制方法有：電機優(yōu)化設(shè)計法、最佳開通角法、諧波消去法和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制法。

b）電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動。

該類型的轉(zhuǎn)矩脈動是由于電機繞組電感阻礙了電流的瞬時變化，因而在電樞電流從某一相切換到另一相時就會引起轉(zhuǎn)矩脈動。抑制方法有：電流反饋法、重疊換向法和 PWM 斬波法。

c）齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動。

該類型的轉(zhuǎn)矩脈動是由永磁體磁場和定子鐵心的齒槽作用在圓周方向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，又可稱為定位轉(zhuǎn)矩或磁阻轉(zhuǎn)矩。抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法有：磁性槽楔法和閉口槽法、輔助槽法、輔助齒法和分數(shù)槽法、斜槽法和斜極法。

（2）弱磁擴速

由于永磁體的勵磁恒定不變，電機在基速以下采用 PWM 調(diào)制實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，此時電機的反電勢與轉(zhuǎn)速、氣隙磁通成正比。

基速及基速以上運行時端電壓已調(diào)至最大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機反電勢增大，電樞電流減小。當反電勢等于端電壓時，電樞電流為零，無法產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電機將停轉(zhuǎn)。

為了在基速以上端電壓不變的條件下保持一定的電樞電流，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，要實行弱磁控制，而對方波無刷直流電機而言，傳統(tǒng)的弱磁控制不能直接使用，需要新的控制策略。

一般通過提前開通功率器件，使得繞組的變壓器反電勢抵消一部分旋轉(zhuǎn)反電勢，從而滿足電壓平衡關(guān)系，實現(xiàn)等效的弱磁控制。目前恒功率弱磁調(diào)速范圍為基速的 2.8 倍左右。

調(diào)速方式有：

1）脈寬調(diào)制（PWM）；Pulse WidthModulation 頻率不變，脈寬可變。

2）頻率調(diào)制；脈寬不變，頻率可變。

3）限流控制方式。脈寬、頻率可變。如圖23 所示。

輪轂電機的應(yīng)用前景

能源和環(huán)境問題凸顯，電動汽車成為世界各國汽車行業(yè)的戰(zhàn)略重點，高品質(zhì)的輪轂電機及其控制系統(tǒng)是國內(nèi)外電氣工程領(lǐng)域的重要研究方向和熱點，因其具有明顯的優(yōu)勢，已成為電動汽車發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。

目前，輪轂電機已在電動汽車上取得成功，可以預(yù)見，隨著研發(fā)的不斷深入，輪轂電機性能的不斷提高，以及電池技術(shù)、動力控制系統(tǒng)和整車能源管理系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的突破，輪轂電機將在電動汽車上廣泛應(yīng)用。

新能源汽車市場在國家政策的推動下，獲得了飛速發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示，今年前10個月，新能源汽車銷售33.7萬輛，比上年同期增長82.2%。

其中純電動汽車銷售完成25.8萬輛，比上年同期增長102.5%。隨著新能源汽車的火熱發(fā)展，與新能源汽車相關(guān)的零部件技術(shù)得到廣泛關(guān)注，大量資金涌入該領(lǐng)域。

在風(fēng)靡全球的新能源浪潮中，新能源汽車動力系統(tǒng)發(fā)展可以分為三個階段，第一代是中央電機集中驅(qū)動技術(shù)，第二代是輪邊電機技術(shù)，第三代是輪轂電機技術(shù)。

與前兩代技術(shù)相比，輪轂電機技術(shù)具有更加高效、節(jié)能、輕量化、小型化等諸多優(yōu)點，能有效解決新能源汽車成本、能耗等問題，是未來的應(yīng)用趨勢。

基于此，有行業(yè)人士認為，輪轂電機堪稱純電動汽車的終極解決方案，這種技術(shù)使汽車由中央式驅(qū)動改為分布式驅(qū)動，省掉變速器、傳動軸、差速器等傳動部件，將動力、傳動和制動裝置整合到輪轂內(nèi)，實現(xiàn)了新能源汽車發(fā)動機、變速機的一體化，從機械驅(qū)動轉(zhuǎn)為電驅(qū)動。這如同喬布斯認為點擊屏幕一定要用手指，而不是用觸屏筆一樣，是最直接、最高效的驅(qū)動方式。

審核編輯：郭婷