輪轂電機驅動系統在電動汽車上的應用

隨著經濟社會的不斷發展，人們的生活水平得到逐步提升，對環境的要求也越來越高。汽車排放的尾氣一直被認為是環境污染的重要來源，因此使得能源與環保問題長期成為了汽車領域發展的瓶頸，其對汽車領域的發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和研究新能源汽車的發展，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。在新能源汽車領域，輪轂電機是汽車的核心組成部件，在新能源汽車領域起著舉足輕重的作用，下文將簡要對輪轂電機驅動技術進行簡要介紹。

1 輪轂電機驅動技術概述 ?

縱觀世界新能源汽車的發展，歐洲、美國以及日本等發達國家在新能源汽車領域已經形成了較為完善的汽車產業鏈，歐盟計劃在2020年生產新能源汽車數量超過五百萬輛，同時已經下撥14.3億歐元用來支持新能源汽車的研發；此外，日本計劃在2020年將新能源汽車的占比提升至50%；我國工信部在《節能與新能源汽車產業發展規劃》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，其核心部件電機作為主要的驅動方式在新能源汽車的發展過程中發揮著重要的作用。

目前在汽車行業普遍采用的電機為輪轂電機，如圖1所示為輪轂式電機的外觀圖。輪轂電機安裝在空間相對較小的輪轂中，使電機系統受磁場飽和、路面激勵以及負載等因素的影響較為明顯，因此可以嚴格控制輪轂汽車的性能。和傳統的集中式汽車相比較，采用輪轂式電機驅動的汽車具有底盤結構簡化、驅動布置靈活、行駛穩定性高以及傳動效率高等優點，輪轂汽車的電機驅動大大簡化了其地盤結構，節省了車內的空間，從而增大了車間利用率，整體車的布置較為靈活且質量分布設計自由度較高。對于輪轂電機而言，其技術要求主要為輪轂電機需要有較高的轉矩密度，同時為了滿足汽車的快速啟動以及加速等動作，輪轂電機需要有較寬的抗過載能力，同時在此范圍內還需保持較高的頻率，輪轂電機還需具備在各種惡劣天氣下運行的能力，在惡劣環境下還需保持較高的精度。

2 輪轂電機驅動形式 ? ? ?

2.1 內轉子輪轂電機

按照輪轂電機的不同驅動形式，可以分為內轉子輪轂電機和外轉子輪轂電機兩大類，其中內轉子輪轂電機的最高轉速為1500r/min。內轉子對于電機的要求并不高，由于內轉子電機引入了減速機構，使得輪轂電機的結構變得復雜從而增加了汽車的非簧載能力，在學術界日本對于內轉子輪轂電機的研究較深，日本的重點大學慶應義塾大學與多家汽車公司一起合作開發出ECO，采用內轉子輪轂電機的電動汽車型號以及研發單位如表1所示。

表1 內轉子輪轂電機參數

2.2 外轉子輪轂電機

外轉子輪轂電機和內轉子輪轂電機不同，外轉子輪轂電機作為直接驅動車輪的電機無需配備減速裝置，外轉子輪轂電機的轉速最高為2000r/min。和內轉子輪轂電機相比，外轉子輪轂電機的結構更為緊湊，軸向尺寸更小，而且傳動效率更高。

3 輪轂電機驅動系統在電動汽車上的應用 ? ? ?

3.1 電動汽車的輪轂電機驅動方案

電動汽車的驅動方案主要有傳統的集中電機驅動以及輪轂電機驅動兩種方式，其中傳統的集中電機驅動方式主要以內燃氣汽車為基礎，采用集中電機驅動系統替代原有的內燃機和變速器之間的連接，但是傳統的集中電機驅動僅僅是對相關零部件以及系統進行替換，對車身的空間以及結構等沒有進行改變，集中電機驅動是將內燃機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且適合于控制成本的基礎上進行更新的一種模式。輪轂電機驅動是將電機設計安裝在車輪的輪轂之中，大大簡化了車身空間，簡化了很多傳統集中式電機驅動的機械動力裝置，提升了車身的利用空間。

3.2 輪轂電機的結構和技術參數

純電動汽車采用輪轂電機是將動力、傳動以及控制裝置都集中在輪轂中，將車輛的機械部分大大簡化，輪轂電機的結構主要由定子、微型逆變器、線圈、轉子以及車輪軸承等組成，如圖2為輪轂電電機的總體結構。輪轂電機采用的是分電機結構，每個輪轂由八組電機組成，且每組電機均有獨立的逆變器，共享一個轉子，當其中一個電機由于某種原因壞掉時，其余電機組也能正常的運作。輪轂電機的技術參數主要有轉子質量、轉動慣量、寬度、直徑、最高繞組溫度、持續輸入電流、備用功率、電纜尺寸、電極總質量、最高輸出扭矩、入口冷卻溫度50℃下的持續輸出扭矩等。

圖2 輪轂電機總體結構

3.3 輪轂電機驅動的特性分析

采用輪轂電機驅動具有較多優良的性能，其動力傳動的硬件連接改為了軟連接，同時省略了傳統汽車所需的離合器以及變速器等裝置，其結構大大簡化，同時采用輪轂電機驅動的車輪可以直接動力可控，動力學更加靈活，在兩側的驅動輪之間沒有剛性連接，不需要類似傳統汽車那種剛性連接軸承以及機械差速器，較大程度減小了車輛的轉彎半徑，在某些特定的情況下可以實現車輛的原地轉彎以及原地轉向，對于特種車輛具有較大的價值，可以更加靈活的協調配合各電動輪的電氣制動以及機械復合制動，可有效減少機械的磨損以及損耗，從而提高傳動效率。雖然輪轂電機驅動具有很多優點，但是其在技術發展的過程中也有很多沒有突破的技術以及難題，在增大避震彈簧質量以及輪轂轉動慣量的同時，對于密封的要求也較高，在設計的原始階段還需要考慮防水以及散熱等問題；此外，我國的輪轂電機主要核心零部件全部依賴進口，這使得我國的輪轂電機的發展受到一定程度的制約。

4 結論 ?

輪轂電機驅動技術的研究是未來新能源汽車驅動體系研究的重要方向，對于促進新能源汽車領域的發展以及環保領域的發展有著重要的作用。但是由于技術的迭代更新較快，輪轂電機還有很多需要解決的技術難題，同時國內的輪轂電機技術的發展和國外相比還有較大的進步空間，如果未來想要大規模量化生產輪轂電機需要突破很多技術難題，只有在技術上取得成就與進步，才能使輪轂電機在國內外市場上取得更為廣闊的發展與應用。

審核編輯：黃飛
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