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未來出行新技術！輪轂電機關鍵技術問題與國內外發(fā)展對比

鼓式制動器、摩托車剎車圈、Drum brake、輪轂剎車圈專業(yè)生產廠家無錫九環(huán)2023年5月26日訊 輪轂電機技術又稱為車輪內裝式電機技術，是一種將電動機、傳動系統和制動系統溶為一體的輪轂裝置技術。采用這項技術的驅動系統布置非常靈活，可以使電動汽車按照2個前輪驅動、2個后輪驅動或4輪驅動等方式來進行驅動的多種組合。與傳統內燃機和中央電機驅動的車輛相比，由于取消了離合器、變速器、傳動軸及差速器等部件，底盤結構大為簡化，整車質量減輕，很好地實現了整車輕量化目標，也為實現底盤的電子化和智能化提供了保證。

另外，電動輪驅動系統只通過電動機及控制系統就能完成各車輪驅動力的控制，與內燃機相比，無論加速還是減速，電動機轉矩響應快速且容易測量。同時，由于動力傳動的中間環(huán)節(jié)減少，電動輪驅動電機噪聲極低。從目前發(fā)展趨勢以及各種驅動技術的特點來看,輪轂電機將是電動汽車的最終驅動形式,也是現階段電動汽車研究的熱點和難點之一。

【優(yōu)勢】

(1) 動力控制由硬連接改為軟連接型式，通過電子線控技術，實現各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速要求，省略了傳統汽車所需的機械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動軸和機械差速器等，使得驅動系統和整車結構簡潔、有效利用空間大、傳動效率提高。

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

(3) 容易實現各電動輪的電氣制動、機電復合制動和制動能量回饋, 節(jié)約能源。

(4) 底架結構大為簡化。

(5) 在采用輪轂電機驅動系統的4輪電動汽車上，若進一步導入線控四輪轉向技術(4WS)，實現車輛轉向行駛高性能化, 并有效減小轉向半徑，甚至實現零轉向半徑，大大增加轉向靈便性。從目前發(fā)展趨勢以及各種驅動技術的特點來看，輪轂電機將是電動汽車的最終驅動形式，也是現階段電動汽車研究的熱點和難點之一。

輪轂電機的驅動方式可以分為減速驅動和直接驅動兩大類：

減速驅動

在這種驅動方式下，電機一般在高速下運行，而且對電機的其他性能沒有特殊的要求，因此可以選用普通的內轉子電機。減速機構放置在電機和車輪之間，起到減速和增加轉矩的作用。

減速驅動的優(yōu)點是電機運行在高轉速下，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行時獲得較大的平穩(wěn)轉矩。不足是難以實現液態(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、旅游健身等場合。

直接驅動

在這種驅動方式下,電機多采用外轉子，即直接將轉子安裝在輪輞上。為了使汽車能順利起步，要求電機在低速時能提供大轉矩。此外，為了使汽車有較好的動力性，電機需具有較寬的調速范圍。

直接驅動的優(yōu)點是沒有減速機構, 不但使得整個驅動輪結構更加簡單、緊湊, 軸向尺寸也減小, 而且效率進一步提高, 響應速度也變快。缺點是起步、頂風或爬坡等承載大扭矩時需大電流，易損壞電池和永磁體；電機效率峰值區(qū)域很小，負載電流超過一定值后效率急劇下降，適用于平路、負載較輕、代步等場合。

一、輪轂電機驅動電機類型及優(yōu)缺點

要使電動汽車有較好的使用性能,驅動電機應具有較寬的調速范圍、較高的轉速、足夠大的起動扭矩,以及體積小、重量輕、效率高,并具有強動態(tài)制動和能量回饋等特性。目前,電動汽車用電動機主要有異步電動機(IM)、永磁無刷電動機(PMBLM)和開關磁阻電動機(SRM)、橫向磁場電機(TFPM)等四類。各種電機有各自的優(yōu)缺點，以下就分別作以比較：

1、異步電動機

結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，轉矩脈動小，噪聲低，不需要位置傳感器，轉速極限高；缺點是驅動電路復雜，成本高，相對永磁電機而言，異步電機效率和功率密度偏低。

2、永磁無刷電動機

永磁同步電動機具有效率和轉矩密度高、轉矩平穩(wěn)及低振動噪聲等特點，成為電動汽車電控部件的理想選擇。永磁輪轂電機驅動可以靈活地布置于電動車輛的前輪和后輪，甚至于直接驅動輪轂旋轉。已在國內外多種電動車輛中獲得應用。

3、開關磁阻電動機

開關磁阻電機具有簡單可靠、可在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行、可四象限運行、響應速度快和成本較低等優(yōu)點。但其缺點也很多：轉矩存在較大波動，振動大，噪聲大；系統非線性，建模困難，控制成本高；功率密度低等。

4、橫向磁場電機

與其他電機相比，橫向磁場電機的優(yōu)點十分突出：實現了電路和磁路解耦，設計自由度大大提高；高轉矩密度，且特別適合應用于要求低速、大轉矩等場合；繞組形式簡單，不存在傳統電機的端部，繞組利用率高；各相間相互獨立；效率高；控制電路與永磁無刷電動機相同，可控性好等。但其也存在不少缺點：永磁體數目多，用量大；結構較為復雜，工藝要求高，電機成本高；漏磁嚴重；功率因素低;自定位轉矩較大等。

二、國內外輪轂電機發(fā)展現狀

1、日本

日本對輪轂電機技術的研究起步較早，處于世界領先地位。日本慶應義塾大學清水浩教授領導的電動汽車研究小組在過去10 年中，研制的IZA,ECO,KAZ 等電動車均采用輪轂電機驅動技術。KAZ 的電動輪驅動系統中采用高性能的高轉速內轉子型電動機，匹配行齒輪減速機構。輪轂電機參數：6相永磁同步電機，最大扭矩100N·m，最高轉距12000r/min，最大功率55kW。后輪驅動電動汽車ECO 采用永磁無刷直流電機，額定功率6.8KW，峰值功率可達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力阻尼型車輪內裝式電機系統和燃料電池概念車FINE-N，應用的就是輪轂驅動技術。近年日本研制的4WD Bus 也采用外轉子結構,定子繞組為集中繞組,最大功率和最大轉矩分別為75kW和2046N·m。

2、歐美

法國TM4 公司法國TM4 公司設計制造的一體化輪轂電機結構如圖所示。它采用外轉子式永磁電動機，將電動機轉子外殼直接與輪輞相固結，將電動機外殼作為車輪輪輞的組成部分，而且電動機轉子與鼓式制動器的制動鼓集成在一起，實現電機轉子、輪輞以及制動器三個回轉運動物體的集成，大大減輕一體化輪轂電機系統質量，集成化程度相當高。該一體化輪轂電機系統的永磁無刷直流電動

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

法國TM4 公司最近又開發(fā)出一種新型輪轂電機MΦTIVE，該電機被印度TATA 汽車公司選中作為自己電動汽車的驅動系統。該汽車將于2011 年上市。電機結構如下圖所示，采用外轉子結構的永磁同步電機，集中繞組，水冷結構。峰值扭矩170N·m，連續(xù)扭矩600N·m，最高轉距10000r/min，最大功率120kW，連續(xù)功率37kW。電機重量26Kg，額定轉速下電機效率能達到96%。

Volv 汽車利用Protean 輪轂電機四輪驅動，5.1s 內能加速到0~60mph。Protean 的PD18 系列輪轂電機的突破技術是電機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械齒輪，電機參數：峰值扭矩825N·m，最高轉速1400rpm，最大功率83kW，連續(xù)功率54kW。電機重量31Kg，電機外徑420mm。輪子尺寸是18 英寸。

米其林的主動車輪，輪轂中有兩個電動機，其中一個向車輪輸出扭矩，另一個則是用于控制主動懸架系統，從而改善舒適性、操控性和穩(wěn)定性。米其林主動車輪可以為電動汽車和燃料電池電動汽車配套。相比普通內燃機汽車，不再需要變速箱、離合器、傳動軸、萬向節(jié)。在兩個電動機之間還設有制動裝置，動力、制動和懸架都被集成在一起，結構相當緊湊。由于電動機的扭矩易于控制，如果配備四個米其林主動車輪便成為四驅系統，并且可以通過電腦對任何車輪的扭矩進行獨立調節(jié)。

3、國內

我國在該領域的研究相對于國外較為落后，但是近幾年隨著國家“863”計劃動汽車重大課題研究的深入，以及對電動輪驅動系統優(yōu)點認識的加深，各高校對該新型驅動系統的研究也有所加強。同濟大學汽車學院首先提出研發(fā)輪轂電機驅動的車動力平臺“春暉一號”，并在此基礎上于2003年研制了樣車“春暉二號”，輪轂機參數：外轉子式的永磁無刷直流電機，額定功率800W。2.2kW的輪轂電機及其動系統也正在研制中。

三、輪轂電機研究的關鍵技術問題

輪轂電機系統集驅動、制動、承載等多種功能于一體，而且車輪內部空間有限，故對驅動電機的技術要求主要是：體積小，重量輕，功率密度和轉矩密度高；要求在寬調速范圍內，電動機和驅動控制器都有較高的效率；有良好的控制性能以及過載能力，以提高車輛的起動和加速性能。

1、提高電機轉矩特性

提高輸出轉矩，降低轉矩脈動。產生轉矩脈動有兩種原因，一種是電磁因素產生的轉矩脈動。該類型的轉矩脈動是由定子電流和轉子磁場的相互作用而產生的。抑制的方法有:電機優(yōu)化設計法、最佳開通角法、諧波消去法和轉矩閉環(huán)控制法等。第二種是齒槽引起的轉矩脈動。該類型的轉矩是由永磁體磁場和定子鐵心的齒槽作用在圓周方向產生的轉矩,又可稱為定位轉矩或磁阻轉矩。抑制齒槽轉矩的方法有:磁性槽楔法和閉口槽法,輔助槽法、輔助齒法和分數槽法,斜槽法和斜極法等。

2、提高比功率

應用內置徑向式永磁電機，通過增加磁阻轉矩并進行相關優(yōu)化，減小機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也可以提高永磁電機的功率密度。

3、提高弱磁擴速能力

由于永磁同步電機轉子是永磁體勵磁,導致電機高速時弱磁困難,調速特性不如直流電機和感應電機,因此,弱磁擴速問題成為永磁同步電機的研究熱點之一。

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