輪轂電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)問題及國內(nèi)外發(fā)展對(duì)比

一、輪轂電機(jī)的技術(shù)

輪轂電機(jī)技術(shù)又稱為車輪內(nèi)裝式電機(jī)技術(shù)，是一種將電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)溶為一體的輪轂裝置技術(shù)。 采用這項(xiàng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置非常靈活，可以使電動(dòng)汽車按照2個(gè)前輪驅(qū)動(dòng)、2個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)或4輪驅(qū)動(dòng)等方式來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的多種組合。 與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和中央電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛相比，由于取消了離合器、變速器、傳動(dòng)軸及差速器等部件，底盤結(jié)構(gòu)大為簡化，整車質(zhì)量減輕，很好地實(shí)現(xiàn)了整車輕量化目標(biāo)，也為實(shí)現(xiàn)底盤的電子化和智能化提供了保證。

另外，電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只通過電動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)就能完成各車輪驅(qū)動(dòng)力的控制，與內(nèi)燃機(jī)相比，無論加速還是減速，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速且容易測(cè)量。 同時(shí)，由于動(dòng)力傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)減少，電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲極低。 從目前發(fā)展趨勢(shì)以及各種驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)來看,輪轂電機(jī)將是電動(dòng)汽車的最終驅(qū)動(dòng)形式,也是現(xiàn)階段電動(dòng)汽車研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

【優(yōu)勢(shì)】

(1) 動(dòng)力控制由硬連接改為軟連接型式，通過電子線控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)輪從零到最大速度的無級(jí)變速和各電動(dòng)輪間的差速要求，省略了傳統(tǒng)汽車所需的機(jī)械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動(dòng)軸和機(jī)械差速器等，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡潔、有效利用空間大、傳動(dòng)效率提高。

(2) 各電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力直接獨(dú)立可控，使其動(dòng)力學(xué)控制更為靈活、方便，能合理地控制各電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力, 從而提高惡劣路面條件下的行駛性能。

(3) 容易實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)輪的電氣制動(dòng)、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)和制動(dòng)能量回饋, 節(jié)約能源。

(4) 底架結(jié)構(gòu)大為簡化。

(5) 在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的4輪電動(dòng)汽車上，若進(jìn)一步導(dǎo)入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(4WS)，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化, 并有效減小轉(zhuǎn)向半徑，甚至實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑，大大增加轉(zhuǎn)向靈便性。 從目前發(fā)展趨勢(shì)以及各種驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)來看，輪轂電機(jī)將是電動(dòng)汽車的最終驅(qū)動(dòng)形式，也是現(xiàn)階段電動(dòng)汽車研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式可以分為減速驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)兩大類。

減速驅(qū)動(dòng)

在這種驅(qū)動(dòng)方式下，電機(jī)一般在高速下運(yùn)行，而且對(duì)電機(jī)的其他性能沒有特殊的要求，因此可以選用普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。 減速機(jī)構(gòu)放置在電機(jī)和車輪之間，起到減速和增加轉(zhuǎn)矩的作用。

減速驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速下，具有較高的比功率和效率, 體積小、重量輕, 通過齒輪增力后, 扭矩大、爬坡性能好。 另外, 能保證汽車在低速運(yùn)行時(shí)獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。 不足是難以實(shí)現(xiàn)液態(tài)潤滑、齒輪磨損較快、使用壽命變短、不易散熱、噪聲偏大, 適用于丘陵或山區(qū)、要求過載能力較大、旅游健身等場(chǎng)合。

直接驅(qū)動(dòng)

在這種驅(qū)動(dòng)方式下,電機(jī)多采用外轉(zhuǎn)子，即直接將轉(zhuǎn)子安裝在輪輞上。 為了使汽車能順利起步，要求電機(jī)在低速時(shí)能提供大轉(zhuǎn)矩。 此外，為了使汽車有較好的動(dòng)力性，電機(jī)需具有較寬的調(diào)速范圍。

直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是沒有減速機(jī)構(gòu), 不但使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊, 軸向尺寸也減小, 而且效率進(jìn)一步提高, 響應(yīng)速度也變快。 缺點(diǎn)是起步、頂風(fēng)或爬坡等承載大扭矩時(shí)需大電流，易損壞電池和永磁體； 電機(jī)效率峰值區(qū)域很小，負(fù)載電流超過一定值后效率急劇下降，適用于平路、負(fù)載較輕、代步等場(chǎng)合。

二、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型及優(yōu)缺點(diǎn)

要使電動(dòng)汽車有較好的使用性能,驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍、較高的轉(zhuǎn)速、足夠大的起動(dòng)扭矩,以及體積小、重量輕、效率高,并具有強(qiáng)動(dòng)態(tài)制動(dòng)和能量回饋等特性。 目前,電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)主要有異步電動(dòng)機(jī)(IM)、永磁無刷電動(dòng)機(jī)(PMBLM)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)、橫向磁場(chǎng)電機(jī)(TFPM)等四類。 各種電機(jī)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以下就分別作以比較：

1、異步電動(dòng)機(jī)

結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪聲低，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高； 缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，成本高，相對(duì)永磁電機(jī)而言，異步電機(jī)效率和功率密度偏低。

2、永磁無刷電動(dòng)機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有效率和轉(zhuǎn)矩密度高、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)及低振動(dòng)噪聲等特點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車電控部件的理想選擇。 永磁輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以靈活地布置于電動(dòng)車輛的前輪和后輪，甚至于直接驅(qū)動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)。 已在國內(nèi)外多種電動(dòng)車輛中獲得應(yīng)用。

3、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)具有簡單可靠、可在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、可四象限運(yùn)行、響應(yīng)速度快和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。 但其缺點(diǎn)也很多：轉(zhuǎn)矩存在較大波動(dòng)，振動(dòng)大，噪聲大； 系統(tǒng)非線性，建模困難，控制成本高； 功率密度低等。

4、橫向磁場(chǎng)電機(jī)

與其他電機(jī)相比，橫向磁場(chǎng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)十分突出：實(shí)現(xiàn)了電路和磁路解耦，設(shè)計(jì)自由度大大提高； 高轉(zhuǎn)矩密度，且特別適合應(yīng)用于要求低速、大轉(zhuǎn)矩等場(chǎng)合； 繞組形式簡單，不存在傳統(tǒng)電機(jī)的端部，繞組利用率高； 各相間相互獨(dú)立； 效率高； 控制電路與永磁無刷電動(dòng)機(jī)相同，可控性好等。 但其也存在不少缺點(diǎn)：永磁體數(shù)目多，用量大； 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工藝要求高，電機(jī)成本高； 漏磁嚴(yán)重； 功率因素低; 自定位轉(zhuǎn)矩較大等。

三、國內(nèi)外輪轂電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1， 日本

日本對(duì)輪轂電機(jī)技術(shù)的研究起步較早，處于世界領(lǐng)先地位。 日本慶應(yīng)義塾大學(xué)清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動(dòng)汽車研究小組在過去10 年中，研制的IZA,ECO,KAZ 等電動(dòng)車均采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 KAZ 的電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用高性能的高轉(zhuǎn)速內(nèi)轉(zhuǎn)子型電動(dòng)機(jī)，匹配行齒輪減速機(jī)構(gòu)。 輪轂電機(jī)參數(shù)：6相永磁同步電機(jī)，最大扭矩100N·m，最高轉(zhuǎn)距12000r/min，最大功率55kW。 后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車ECO 采用永磁無刷直流電機(jī)，額定功率6.8KW，峰值功率可達(dá)20KW。 日本普利斯通公司和豐田公司曾在2003年東京汽車展上分別推出動(dòng)力阻尼型車輪內(nèi)裝式電機(jī)系統(tǒng)和燃料電池概念車FINE-N，應(yīng)用的就是輪轂驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 近年日本研制的4WD Bus 也采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),定子繞組為集中繞組,最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為75kW和2046N·m。

2、歐美

法國TM4 公司法國TM4 公司設(shè)計(jì)制造的一體化輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示。 它采用外轉(zhuǎn)子式永磁電動(dòng)機(jī)，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外殼直接與輪輞相固結(jié)，將電動(dòng)機(jī)外殼作為車輪輪輞的組成部分，而且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)鼓集成在一起，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子、輪輞以及制動(dòng)器三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)物體的集成，大大減輕一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量，集成化程度相當(dāng)高。 該一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)的永磁無刷直流電動(dòng)

機(jī)的額定功率為18.5kw，峰值功率可達(dá)到80kw，峰值扭矩為670N·m，額定轉(zhuǎn)速為950rpm，最高轉(zhuǎn)速為1385rpm，而且額定工況下的平均效率可達(dá)到96.3%。

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法國TM4 公司最近又開發(fā)出一種新型輪轂電機(jī)MΦTIVE，該電機(jī)被印度TATA 汽車公司選中作為自己電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 該汽車將于2011 年上市。 電機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖所示，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)，集中繞組，水冷結(jié)構(gòu)。 峰值扭矩170N·m，連續(xù)扭矩600N·m，最高轉(zhuǎn)距10000r/min，最大功率120kW，連續(xù)功率37kW。 電機(jī)重量26Kg，額定轉(zhuǎn)速下電機(jī)效率能達(dá)到96%。

Volv 汽車?yán)肞rotean 輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)，5.1s 內(nèi)能加速到0~60mph。 Protean 的PD18 系列輪轂電機(jī)的突破技術(shù)是電機(jī)和逆變器集成在一起，不在需要額外的電力電子器件或者機(jī)械齒輪，電機(jī)參數(shù)：峰值扭矩825N·m，最高轉(zhuǎn)速1400rpm，最大功率83kW，連續(xù)功率54kW。 電機(jī)重量31Kg，電機(jī)外徑420mm。 輪子尺寸是18 英寸。

米其林的主動(dòng)車輪，輪轂中有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，其中一個(gè)向車輪輸出扭矩，另一個(gè)則是用于控制主動(dòng)懸架系統(tǒng)，從而改善舒適性、操控性和穩(wěn)定性。 米其林主動(dòng)車輪可以為電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車配套。 相比普通內(nèi)燃機(jī)汽車，不再需要變速箱、離合器、傳動(dòng)軸、萬向節(jié)。 在兩個(gè)電動(dòng)機(jī)之間還設(shè)有制動(dòng)裝置，動(dòng)力、制動(dòng)和懸架都被集成在一起，結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊。 由于電動(dòng)機(jī)的扭矩易于控制，如果配備四個(gè)米其林主動(dòng)車輪便成為四驅(qū)系統(tǒng)，并且可以通過電腦對(duì)任何車輪的扭矩進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。

3、國內(nèi)

我國在該領(lǐng)域的研究相對(duì)于國外較為落后，但是近幾年隨著國家“863”計(jì)劃動(dòng)汽車重大課題研究的深入，以及對(duì)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)認(rèn)識(shí)的加深，各高校對(duì)該新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究也有所加強(qiáng)。 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院首先提出研發(fā)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車動(dòng)力平臺(tái)“春暉一號(hào)”，并在此基礎(chǔ)上于2003年研制了樣車“春暉二號(hào)”，輪轂機(jī)參數(shù)：外轉(zhuǎn)子式的永磁無刷直流電機(jī)，額定功率800W。 2.2kW的輪轂電機(jī)及其動(dòng)系統(tǒng)也正在研制中。

四、輪轂電機(jī)研究的關(guān)鍵技術(shù)問題

輪轂電機(jī)系統(tǒng)集驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、承載等多種功能于一體，而且車輪內(nèi)部空間有限，故對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)要求主要是：體積小，重量輕，功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高； 要求在寬調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器都有較高的效率； 有良好的控制性能以及過載能力，以提高車輛的起動(dòng)和加速性能。

1、提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性

提高輸出轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有兩種原因，一種是電磁因素產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 該類型的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用而產(chǎn)生的。 抑制的方法有:電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)法、最佳開通角法、諧波消去法和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制法等。 第二種是齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 該類型的轉(zhuǎn)矩是由永磁體磁場(chǎng)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?jǐn)?shù)槽法,斜槽法和斜極法等。

2、提高比功率

應(yīng)用內(nèi)置徑向式永磁電機(jī)，通過增加磁阻轉(zhuǎn)矩并進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，減小機(jī)械損耗和逆變器損耗，提高了輸出功率并保持高效率。 還可以采用集中繞組和定子分段技術(shù)也可以提高永磁電機(jī)的功率密度。

3、提高弱磁擴(kuò)速能力

由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體勵(lì)磁,導(dǎo)致電機(jī)高速時(shí)弱磁困難,調(diào)速特性不如直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī),因此,弱磁擴(kuò)速問題成為永磁同步電機(jī)的研究熱點(diǎn)之一。

審核編輯：湯梓紅

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