輪轂電機(jī)

圖示：典型內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　輪轂電機(jī)技術(shù)又稱車輪內(nèi)裝電機(jī)技術(shù)，它的最大特點(diǎn)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(jī)械部分大大簡化。輪轂電機(jī)技術(shù)并非新生事物，早在1900年，就已經(jīng)制造出了前輪裝備輪轂電機(jī)的電動汽車，在20世紀(jì)70年代，這一技術(shù)在礦山運(yùn)輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。而對于乘用車所用的輪轂電機(jī)，日系廠商對于此項(xiàng)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)型式：內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式。其中外轉(zhuǎn)子式采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在1000-1500r/min，無減速裝置，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同；而內(nèi)轉(zhuǎn)子式則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，配備固定傳動比的減速器，為獲得較高的功率密度，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可高達(dá)10000r/min。隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競爭力。

01按電機(jī)類型分類

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

　　1、 異步電機(jī)

　　異步電機(jī)在4類電機(jī)中發(fā)展歷史最為長久。電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造以及控制都相對成熟，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、可靠性高、控制技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，受到歐美國家的青睞。但是異步電機(jī)缺點(diǎn)是效率不高，特別是在低速時(shí)，功率密度較小。異步電機(jī)是一個強(qiáng)耦合、多變量、非線性的系統(tǒng)，需采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩等控制手段，控制成本較高。

　　2、 永磁無刷電動機(jī)

　　永磁無刷電動機(jī)可分為由方波驅(qū)動和由正弦波兩種。與其他電機(jī)相比，永磁無刷電機(jī)具有功率密度高、效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大、可控性好、可靠性高、噪聲低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在電動車領(lǐng)域頗受青睞。日本絕大多數(shù)電動汽車采用永磁無刷電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。當(dāng)然，永磁無刷電動機(jī)也存在一些缺點(diǎn)。首先是受到永磁材料的限制，目前最大功率也只有幾十個千瓦。其次，永磁轉(zhuǎn)子的勵磁無法調(diào)節(jié)，導(dǎo)致電機(jī)調(diào)速困難，調(diào)速范圍不寬。

　　3、 開關(guān)磁阻電動機(jī)

　　開關(guān)磁阻電機(jī)是近20年才發(fā)展起來的一種新型調(diào)速電機(jī)，具有簡單可靠、可在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效運(yùn)行、四象限運(yùn)行、響應(yīng)速度快和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)也很多：轉(zhuǎn)矩存在較大波動、振動大、噪聲大；系統(tǒng)非線性，建模困難，控制成本高，功率密度低，等等。

　　4、 橫向磁場電機(jī)

　　橫向磁場電機(jī)最早是由德國著名電機(jī)專家H.Weh于上個世紀(jì)80年代末提出，并將之使用到電力艦船和電動汽車上。與其他電機(jī)相比，橫向磁場電機(jī)的有點(diǎn)十分突出：電路和磁路解耦，設(shè)計(jì)自由度大大提高;高轉(zhuǎn)矩密度，大約是標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用異步電機(jī)的5~10倍，且特別適合應(yīng)用于要求低速、大轉(zhuǎn)矩等場合;繞組型式簡單，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機(jī)相同，可控性好。目前國外已成功開發(fā)了許多電動汽車用橫向磁場電機(jī)，國內(nèi)也正在積極開展先關(guān)研究。當(dāng)然橫向磁場電機(jī)也存在不少缺點(diǎn)：永磁體數(shù)目多，用量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高，成本高，漏磁嚴(yán)重，功率因數(shù)低，自定位轉(zhuǎn)矩較大，等等。

圖示：各類電機(jī)性能對比

　　標(biāo)注：摘錄自《國內(nèi)外輪轂電機(jī)應(yīng)用概況和發(fā)展趨勢》——諸文強(qiáng)、辜承林

02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(yùn)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(shí)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(jī)械聯(lián)動的巧妙組合，既給電機(jī)設(shè)計(jì)帶來了張馳空間，又起到了緩釋負(fù)載擾動、平抑沖擊負(fù)荷、有效保護(hù)電池的作用。

03按驅(qū)動方式分類

　　直接驅(qū)動時(shí)，電機(jī)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(shí)，電機(jī)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(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減速，帶動輪轂旋轉(zhuǎn)，因而也稱之為減速驅(qū)動。

04按旋轉(zhuǎn)速度分類

　　輪轂電機(jī)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(dāng)驅(qū)動方式確定之后，高、低速范圍的界定才具有相對準(zhǔn)確的含義，即直接驅(qū)動一般對應(yīng)于低速電機(jī)(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(jī)(體積小，耗材少，功率密度大，噪聲高)。

01輪轂電機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢

　　(一) 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(shí)也存在需要定期維護(hù)和故障率的問題。但是輪轂電機(jī)就很好地解決了這個問題。除開結(jié)構(gòu)更為簡單之外，采用輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛可以獲得更好的空間利用率，同時(shí)傳動效率也要高出不少。

　　(二) 可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動方式

　　由于輪轂電機(jī)具備單個車輪獨(dú)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(shí)現(xiàn)，全時(shí)四驅(qū)在輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛上實(shí)現(xiàn)起來非常容易。同時(shí)輪轂電機(jī)可以通過左右車輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)實(shí)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(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向(不過此時(shí)對車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和輪胎的磨損較大)，對于特種車輛很有價(jià)值。

　　(三) 便于采用多種新能源車技術(shù)

圖示：電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)圖例

　　新能源車型不少都采用電驅(qū)動，因此輪轂電機(jī)驅(qū)動也就派上了大用場。無論是純電動還是燃料電池電動車，抑或是增程電動車，都可以用輪轂電機(jī)作為主要驅(qū)動力;即便是對于混合動力車型，也可以采用輪轂電機(jī)作為起步或者急加速時(shí)的助力，可謂是一機(jī)多用。同時(shí)，新能源車的很多技術(shù)，比如制動能量回收(即再生制動)也可以很輕松地在輪轂電機(jī)驅(qū)動車型上得以實(shí)現(xiàn)。

02輪轂電機(jī)應(yīng)用缺點(diǎn)

　　(一) 、 增大簧下質(zhì)量和輪轂的轉(zhuǎn)動慣量，對車輛的操控有所影響

　　對于普通民用車輛來說，常常用一些相對輕質(zhì)的材料比如鋁合金來制作懸掛的部件，以減輕簧下質(zhì)量，提升懸掛的響應(yīng)速度?？墒禽嗇炿姍C(jī)恰好較大幅度地增大了簧下質(zhì)量，同時(shí)也增加了輪轂的轉(zhuǎn)動慣量，這對于車輛的操控性能是不利的。不過考慮到電動車型大多限于代步而非追求動力性能，這一點(diǎn)尚不是最大缺陷。

　　(二) 、 電制動性能有限，維持制動系統(tǒng)運(yùn)行需要消耗不少電能

　　現(xiàn)在的傳統(tǒng)動力商用車已經(jīng)有不少裝備了利用渦流制動原理(也即電阻制動)的輔助減速設(shè)備，比如很多卡車所用的電動緩速器。而由于能源的關(guān)系，電動車采用電制動也是首選，不過對于輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛，由于輪轂電機(jī)系統(tǒng)的電制動容量較小，不能滿足整車制動性能的要求，都需要附加機(jī)械制動系統(tǒng)，但是對于普通電動乘用車，沒有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)帶動的真空泵，就需要電動真空泵來提供剎車助力，但也就意味了有著更大的能量消耗，即便是再生制動能回收一些能量，如果要確保制動系統(tǒng)的效能，制動系統(tǒng)消耗的能量也是影響電動車?yán)m(xù)航里程的重要因素之一。

　　此外，輪轂電機(jī)工作的環(huán)境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，在密封方面也有較高要求，同時(shí)在設(shè)計(jì)上也需要為輪轂電機(jī)單獨(dú)考慮散熱問題。