輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在電動汽車上的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，人們的生活水平得到逐步提升，對環(huán)境的要求也越來越高。汽車排放的尾氣一直被認(rèn)為是環(huán)境污染的重要來源，因此使得能源與環(huán)保問題長期成為了汽車領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸，其對汽車領(lǐng)域的發(fā)展也具有一定的制約作用。世界各國的汽車公司以及政府都在積極推進(jìn)和研究新能源汽車的發(fā)展，明確了新能源汽車的范圍是純電動汽車、燃料電池車以及插電式混合動力車等。在新能源汽車領(lǐng)域，輪轂電機(jī)是汽車的核心組成部件，在新能源汽車領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，下文將簡要對輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行簡要介紹。

1 輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)概述 ?

縱觀世界新能源汽車的發(fā)展，歐洲、美國以及日本等發(fā)達(dá)國家在新能源汽車領(lǐng)域已經(jīng)形成了較為完善的汽車產(chǎn)業(yè)鏈，歐盟計(jì)劃在2020年生產(chǎn)新能源汽車數(shù)量超過五百萬輛，同時(shí)已經(jīng)下?lián)?4.3億歐元用來支持新能源汽車的研發(fā)；此外，日本計(jì)劃在2020年將新能源汽車的占比提升至50%；我國工信部在《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中指出到2020年我國的新純電動車以及PHEV的市場份額為500萬輛，汽車的電動化是大勢所趨，其核心部件電機(jī)作為主要的驅(qū)動方式在新能源汽車的發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用。

目前在汽車行業(yè)普遍采用的電機(jī)為輪轂電機(jī)，如圖1所示為輪轂式電機(jī)的外觀圖。輪轂電機(jī)安裝在空間相對較小的輪轂中，使電機(jī)系統(tǒng)受磁場飽和、路面激勵(lì)以及負(fù)載等因素的影響較為明顯，因此可以嚴(yán)格控制輪轂汽車的性能。和傳統(tǒng)的集中式汽車相比較，采用輪轂式電機(jī)驅(qū)動的汽車具有底盤結(jié)構(gòu)簡化、驅(qū)動布置靈活、行駛穩(wěn)定性高以及傳動效率高等優(yōu)點(diǎn)，輪轂汽車的電機(jī)驅(qū)動大大簡化了其地盤結(jié)構(gòu)，節(jié)省了車內(nèi)的空間，從而增大了車間利用率，整體車的布置較為靈活且質(zhì)量分布設(shè)計(jì)自由度較高。對于輪轂電機(jī)而言，其技術(shù)要求主要為輪轂電機(jī)需要有較高的轉(zhuǎn)矩密度，同時(shí)為了滿足汽車的快速啟動以及加速等動作，輪轂電機(jī)需要有較寬的抗過載能力，同時(shí)在此范圍內(nèi)還需保持較高的頻率，輪轂電機(jī)還需具備在各種惡劣天氣下運(yùn)行的能力，在惡劣環(huán)境下還需保持較高的精度。

2 輪轂電機(jī)驅(qū)動形式 ? ? ?

2.1 內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)

按照輪轂電機(jī)的不同驅(qū)動形式，可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)和外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)兩大類，其中內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min。內(nèi)轉(zhuǎn)子對于電機(jī)的要求并不高，由于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)引入了減速機(jī)構(gòu)，使得輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜從而增加了汽車的非簧載能力，在學(xué)術(shù)界日本對于內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的研究較深，日本的重點(diǎn)大學(xué)慶應(yīng)義塾大學(xué)與多家汽車公司一起合作開發(fā)出ECO，采用內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的電動汽車型號以及研發(fā)單位如表1所示。

表1 內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)參數(shù)

2.2 外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)

外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)不同，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)作為直接驅(qū)動車輪的電機(jī)無需配備減速裝置，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速最高為2000r/min。和內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)相比，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊，軸向尺寸更小，而且傳動效率更高。

3 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在電動汽車上的應(yīng)用 ? ? ?

3.1 電動汽車的輪轂電機(jī)驅(qū)動方案

電動汽車的驅(qū)動方案主要有傳統(tǒng)的集中電機(jī)驅(qū)動以及輪轂電機(jī)驅(qū)動兩種方式，其中傳統(tǒng)的集中電機(jī)驅(qū)動方式主要以內(nèi)燃?xì)馄嚍榛A(chǔ)，采用集中電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)替代原有的內(nèi)燃機(jī)和變速器之間的連接，但是傳統(tǒng)的集中電機(jī)驅(qū)動僅僅是對相關(guān)零部件以及系統(tǒng)進(jìn)行替換，對車身的空間以及結(jié)構(gòu)等沒有進(jìn)行改變，集中電機(jī)驅(qū)動是將內(nèi)燃機(jī)汽車改造成純電汽車最快速且簡便的方式，但是其只適合小批量生產(chǎn)且適合于控制成本的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新的一種模式。輪轂電機(jī)驅(qū)動是將電機(jī)設(shè)計(jì)安裝在車輪的輪轂之中，大大簡化了車身空間，簡化了很多傳統(tǒng)集中式電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械動力裝置，提升了車身的利用空間。

3.2 輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

純電動汽車采用輪轂電機(jī)是將動力、傳動以及控制裝置都集中在輪轂中，將車輛的機(jī)械部分大大簡化，輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由定子、微型逆變器、線圈、轉(zhuǎn)子以及車輪軸承等組成，如圖2為輪轂電電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。輪轂電機(jī)采用的是分電機(jī)結(jié)構(gòu)，每個(gè)輪轂由八組電機(jī)組成，且每組電機(jī)均有獨(dú)立的逆變器，共享一個(gè)轉(zhuǎn)子，當(dāng)其中一個(gè)電機(jī)由于某種原因壞掉時(shí)，其余電機(jī)組也能正常的運(yùn)作。輪轂電機(jī)的技術(shù)參數(shù)主要有轉(zhuǎn)子質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、寬度、直徑、最高繞組溫度、持續(xù)輸入電流、備用功率、電纜尺寸、電極總質(zhì)量、最高輸出扭矩、入口冷卻溫度50℃下的持續(xù)輸出扭矩等。

圖2 輪轂電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

3.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動的特性分析

采用輪轂電機(jī)驅(qū)動具有較多優(yōu)良的性能，其動力傳動的硬件連接改為了軟連接，同時(shí)省略了傳統(tǒng)汽車所需的離合器以及變速器等裝置，其結(jié)構(gòu)大大簡化，同時(shí)采用輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輪可以直接動力可控，動力學(xué)更加靈活，在兩側(cè)的驅(qū)動輪之間沒有剛性連接，不需要類似傳統(tǒng)汽車那種剛性連接軸承以及機(jī)械差速器，較大程度減小了車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在某些特定的情況下可以實(shí)現(xiàn)車輛的原地轉(zhuǎn)彎以及原地轉(zhuǎn)向，對于特種車輛具有較大的價(jià)值，可以更加靈活的協(xié)調(diào)配合各電動輪的電氣制動以及機(jī)械復(fù)合制動，可有效減少機(jī)械的磨損以及損耗，從而提高傳動效率。雖然輪轂電機(jī)驅(qū)動具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是其在技術(shù)發(fā)展的過程中也有很多沒有突破的技術(shù)以及難題，在增大避震彈簧質(zhì)量以及輪轂轉(zhuǎn)動慣量的同時(shí)，對于密封的要求也較高，在設(shè)計(jì)的原始階段還需要考慮防水以及散熱等問題；此外，我國的輪轂電機(jī)主要核心零部件全部依賴進(jìn)口，這使得我國的輪轂電機(jī)的發(fā)展受到一定程度的制約。

4 結(jié)論 ?

輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究是未來新能源汽車驅(qū)動體系研究的重要方向，對于促進(jìn)新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展以及環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的作用。但是由于技術(shù)的迭代更新較快，輪轂電機(jī)還有很多需要解決的技術(shù)難題，同時(shí)國內(nèi)的輪轂電機(jī)技術(shù)的發(fā)展和國外相比還有較大的進(jìn)步空間，如果未來想要大規(guī)模量化生產(chǎn)輪轂電機(jī)需要突破很多技術(shù)難題，只有在技術(shù)上取得成就與進(jìn)步，才能使輪轂電機(jī)在國內(nèi)外市場上取得更為廣闊的發(fā)展與應(yīng)用。

編輯：黃飛

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