輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究與進(jìn)展

何　仁，張瑞軍

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究與進(jìn)展

何仁，張瑞軍

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：輪轂電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，已在電動(dòng)汽車上得到應(yīng)用。為了擴(kuò)大輪轂電機(jī)的功能和應(yīng)用范圍，介紹了輪轂電機(jī)的概念和驅(qū)動(dòng)形式，分析了國(guó)內(nèi)外輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，研究了減少輪轂電機(jī)非簧載質(zhì)量和輪轂電機(jī)冷卻的技術(shù)方案，提出了輪轂電機(jī)今后需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究的關(guān)鍵技術(shù)：輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)；輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)控制；輪轂電機(jī)與整車性能的匹配。

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)；驅(qū)動(dòng)；制動(dòng)；非簧載質(zhì)量；冷卻

目前，集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)是電動(dòng)汽車動(dòng)力的主要驅(qū)動(dòng)形式。集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)雖然具有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置容易、控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著一些問題。由于集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車存在離合器、變速器、主減速器、傳動(dòng)軸等機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，故不僅使底盤結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、車內(nèi)空間狹小，而且機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在傳遞動(dòng)力的同時(shí)會(huì)造成能量的損失，使得能量利用效率不高。此外，集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，影響汽車的駕駛舒適性。

國(guó)外學(xué)者較早開展了利用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)來改善集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、車內(nèi)空間狹小、能量利用效率不高等問題的研究，國(guó)內(nèi)在十多年前開始研究輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。目前，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)在部分電動(dòng)汽車上應(yīng)用并取得了較好的效果。

1輪轂電機(jī)的概念及驅(qū)動(dòng)形式

輪轂電機(jī)是將輪轂和驅(qū)動(dòng)裝置直接合并為一體的電機(jī)，也就是將電機(jī)、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂中，俗稱電動(dòng)輪，有學(xué)者稱其為輪式電機(jī)、車輪電機(jī)，英文名稱以“in-wheel motor”居多，也稱作“hub motor”和“wheel motor”。輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式可分為減速驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)兩大類。

1.1　減速驅(qū)動(dòng)

減速驅(qū)動(dòng)一般采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，配備固定傳動(dòng)比的減速器，能獲得較高的功率密度，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到10 000 r/min。高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)配備的減速器一般采用行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，包括行星輪、太陽輪和行星架，安裝在電機(jī)與輪轂之間。電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過行星齒輪減速機(jī)構(gòu)的減速增矩驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使汽車前進(jìn)。

這種驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)點(diǎn)是：由于電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，故具有較高的比功率和效率，而且體積小，質(zhì)量輕，通過減速結(jié)構(gòu)的增矩后，輸出轉(zhuǎn)矩大，爬坡性能好；能保證汽車在低速運(yùn)行時(shí)獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。缺點(diǎn)是：難以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，會(huì)使行星齒輪減速結(jié)構(gòu)的齒輪磨損較快，使用壽命變短，不易散熱，噪聲比較大。

1.2　直接驅(qū)動(dòng)

直接驅(qū)動(dòng)一般采用的是低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，電機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接與輪轂機(jī)械連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在1 500 r/min左右，無減速結(jié)構(gòu)，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速一致。

這種驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)點(diǎn)是：由于沒有減速機(jī)構(gòu)，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)更加緊湊，軸向尺寸也較前一種驅(qū)動(dòng)形式小，傳遞效率更高。缺點(diǎn)是：在起步、頂風(fēng)或爬坡等需要承載大扭矩的情況時(shí)需要大電流，很容易損壞電池和永磁體，電機(jī)效率峰值區(qū)域小，負(fù)載電流超過一定值后效率下降很快。

2輪轂電機(jī)在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代，美國(guó)人羅伯特發(fā)明了一種將電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系和制動(dòng)系融為一體的輪轂裝置。該輪轂于1968年被通用電氣公司應(yīng)用在大型的礦用自卸車上[1-2]。

日本慶應(yīng)義熟大學(xué)清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動(dòng)汽車研究小組在1991—2001年研制的IZA、COMS、KAZ等電動(dòng)汽車均采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其中：IZA采用直接驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接與輪轂相連接；COMS采用的是減速驅(qū)動(dòng)型輪轂電機(jī)，行星齒輪減速結(jié)構(gòu)與鼓式制動(dòng)器布置在內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)部，與電機(jī)一起作為驅(qū)動(dòng)單元；KAZ電動(dòng)汽車的一大特點(diǎn)是車輪比傳統(tǒng)的車輪要小，使得車輛的底盤和重心降低，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是減速驅(qū)動(dòng)型，行星減速結(jié)構(gòu)沒有布置在內(nèi)轉(zhuǎn)子里面，而是與轉(zhuǎn)子并排，制動(dòng)器采用盤式制動(dòng)器[3-5]。

本田公司于2005年在上海汽車展上發(fā)布了一款名為“FXC”的燃料電池電動(dòng)汽車，該車也采用了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

三菱公司與東洋公司于2005年合作開發(fā)了用于藍(lán)瑟(Lancer)四輪驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)轎車的電動(dòng)輪。每個(gè)電動(dòng)輪的最大功率為 50 kW，最大扭矩為518 N·m，最高轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min，該車一次充電的行駛里程可達(dá) 250 km，最高車速可達(dá)到150 km/h。

法國(guó)米其林公司于2007年研制出了一款專門用于電動(dòng)汽車的電動(dòng)輪。該電動(dòng)輪集成了嵌入式主動(dòng)懸架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、懸掛電機(jī)以及盤式制動(dòng)器，這種電動(dòng)輪可以應(yīng)用于任何車型。

Volvo公司在2007年法蘭克福汽車展上展出了著名的C30插入式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。該車采用英國(guó)PML公司生產(chǎn)的電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，0～100 km/h的加速時(shí)間為9 s，最高時(shí)速為160 km/h。

法國(guó)跑車制造公司 Venturi 在2008年巴黎車展上展示了其研發(fā)的概念版四輪驅(qū)動(dòng)跑車“Venturi Volage”，該跑車便使用了米其林的“主動(dòng)輪”技術(shù)。

澳大利亞國(guó)立科學(xué)機(jī)構(gòu)CSIRO與悉尼科技大學(xué)共同開發(fā)了一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)用于三輪太陽能電動(dòng)車Aurora。該輪轂電機(jī)采用的是盤式電機(jī)，其軸向尺寸相當(dāng)小，通過對(duì)車輪輪輞和電機(jī)本體的一體化設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)的總質(zhì)量，電動(dòng)車的最高車速達(dá)到 72 km/h[6-7]。

德國(guó)大眾公司在2010年研制了R-zero電動(dòng)輪概念車。該車結(jié)合了輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和鋰電池蓄能器，0～100 km/h的加速時(shí)間只需要2.9 s。

西門子公司在2010年研制了ecorner電動(dòng)輪汽車。該汽車的輪輞集成了輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、車輪各組成部分、制動(dòng)器等。

日本NTN公司在2011年東京車展上展示了其研發(fā)的一款Q’mo原型電動(dòng)概念車，其4個(gè)車輪均采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

日本慶應(yīng)大學(xué)清水浩教授組建的 “SIM-DRIVE”公司在2011展示了新研制的輪轂電機(jī)試驗(yàn)車“SIM-LEI”。該款輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車在一次充電JC08模式下能行駛308 km，0～100 km/h的加速時(shí)間為4.8 s，最高車速可達(dá)150 kW/h。

法國(guó)標(biāo)致-雪鐵龍集團(tuán)在2013年研制了四輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪汽車quark。該車將車輪的輪輞和驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成化設(shè)計(jì)，最大電機(jī)扭矩為102.2 N·m，0～48 km/h的加速時(shí)間為6.5 s。

福特汽車公司在2013年展示了一款以福特嘉年華為基礎(chǔ)開發(fā)的eWheelDrive輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車。eWheelDrive輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)集成于兩個(gè)后輪轂中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用了全新的設(shè)計(jì)，能夠讓車輛無需轉(zhuǎn)向直接平移進(jìn)入側(cè)方泊車位。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究比較深入的企業(yè)主要有廣州汽車集團(tuán)和奇瑞汽車股份有限公司。廣州汽車集團(tuán)在2010年12月的廣州車展上展出了基于阿爾法羅密歐166底盤打造的傳祺純電動(dòng)汽車，兩個(gè)后輪采用的是Protean Electric公司的輪轂電機(jī)，其峰值功率為83 kW，峰值扭矩為825 N·m。

奇瑞汽車公司在2011年的上海車展上展示了336 V輪轂電機(jī)的瑞麒X1-EV純電動(dòng)汽車。該電動(dòng)汽車4個(gè)輪子均采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。該型電動(dòng)汽車采用的是電機(jī)制動(dòng)，能源利用率有效提高，與傳統(tǒng)的集中電機(jī)電動(dòng)汽車相比，在行駛相同里程時(shí)大約可以節(jié)約30%的車載蓄電池電量，并且車內(nèi)空間得到很大提升。

目前國(guó)際上著名的輪轂電機(jī)生產(chǎn)廠商有英國(guó)的Protean Electric公司、加拿大的TM4公司、著名的輪胎生產(chǎn)商米其林公司和日本的普利司通公司。

英國(guó)的 Protean Electrics 是一家專門研發(fā)生產(chǎn)電動(dòng)輪的公司，被譽(yù)為全球輪轂電機(jī)系統(tǒng)開發(fā)與商業(yè)化的領(lǐng)導(dǎo)者，其生產(chǎn)的 Protean Drive TM 輪轂電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn) 81 kW的動(dòng)力和 800 N·m的扭矩，而質(zhì)量?jī)H為31 kg，可安裝在常規(guī)直徑為 18~24 英寸的車輪中，并且還擁有杰出的再生制動(dòng)性能，在剎車過程中能回收高達(dá) 85%的可用動(dòng)能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。Protean Electrics 公司已與多家整車廠商合作研發(fā)了多款裝置輪轂電機(jī)的樣車和改裝車型，包括福特 F150-EV、Volvo 、C30 Series HEV、沃克斯豪爾 Vivaro 貨車、廣汽傳祺 Trumpchi EV以及基于梅賽德斯奔馳E級(jí)的巴博斯純電動(dòng)與混合動(dòng)力車型等，圖2為配置了 Protean Drive TM 電動(dòng)輪的電動(dòng)汽車。

圖1　Protean Drive TM 輪轂電機(jī)

圖2　配置Protean Drive TM 電動(dòng)輪的電動(dòng)汽車

3輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)人羅伯特就發(fā)明了一種將電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系和制動(dòng)系融為一體的輪轂裝置，并申請(qǐng)了美國(guó)發(fā)明專利。該輪轂于1968年被通用電氣公司應(yīng)用在大型礦用自卸車上[1-2]。

2012年，P.Juris，K.Emmrich等[8-14]研究了溫度對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響，通過對(duì)不同工況下不同參數(shù)對(duì)輪轂電機(jī)能量消耗及磁飽和度的分析，運(yùn)用有限元的方法對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行了瞬態(tài)熱力學(xué)仿真，結(jié)果表明：在特定駕駛工況下，輪轂電機(jī)的功率損失受溫度的影響，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能失效，并影響永磁鐵的去磁作用。

A.Kock，A．Tashakori等[15-20]對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行了研究，考慮電機(jī)失效時(shí)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，采用六相繞組設(shè)計(jì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方法不但可以減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而且可為轉(zhuǎn)換器騰出更大的安裝空間。對(duì)重新設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)計(jì)符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)。

2014年，Haiyan Zhao等[21]針對(duì)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車采用三階非線性完整控制方法對(duì)主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向和直接橫擺力矩進(jìn)行控制。結(jié)果表明，該方法能夠明顯改善輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的穩(wěn)定性。

Yong Zhou等[22]提出了一種新型的輪轂電機(jī)。該輪轂電機(jī)裝備多個(gè)永磁無刷直流電機(jī)，并且在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了多個(gè)永磁無刷直流電機(jī)的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)與新型輪轂電機(jī)的多個(gè)永磁無刷直流電機(jī)的同步控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，新的多永磁無刷直流電機(jī)具有更好的可靠性，控制策略可行。

Qiping Chen等[23]對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)微型電動(dòng)汽車的電機(jī)熱損耗和溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，建立了熱損耗與溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)定子繞組方程的研究、對(duì)流換算系數(shù)的計(jì)算以及輪轂電機(jī)的溫度場(chǎng)的分析，計(jì)算出了線圈繞組損耗、定子和轉(zhuǎn)子鐵芯損耗以及永磁體的渦流損耗，最后通過建立三維有限元分析模型分析了靜態(tài)和瞬態(tài)的溫度變化。結(jié)果表明，所建立的三維有限元分析模型可以精確和方便地分析輪轂電機(jī)的熱損耗和溫度場(chǎng)的分布。

以同濟(jì)大學(xué)余卓平教授為核心的科研團(tuán)隊(duì)早期對(duì)汽車的參考車速估計(jì)、制動(dòng)力分配、防抱死控制等進(jìn)行了深入的研究。2007年，余卓平等[24]提出了基于四輪輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的路面附著系數(shù)估算方法，利用輪轂電機(jī)測(cè)速準(zhǔn)確、驅(qū)動(dòng)力矩響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，對(duì)路面附著系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的估算，并利用已經(jīng)得到的估算結(jié)果對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行控制。結(jié)果表明：該路面附著系數(shù)估算方法能夠降低車輪的滑轉(zhuǎn)，可有效提高車輛的行駛穩(wěn)定性。2008年，余卓平等[25]針對(duì)當(dāng)前復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中的再生制動(dòng)力分配策略分析不全面的問題，基于復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式以及駕駛員制動(dòng)意圖的分類，對(duì)再生制動(dòng)力分配方法進(jìn)行了研究，并以裝備前軸式復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的車輛為例進(jìn)行了仿真分析。2010年，熊璐等[26]為精確控制各輪轂電機(jī)的扭矩、獲得更好的車輛動(dòng)力學(xué)控制性能，運(yùn)用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)再分配偽逆算法、層疊廣義算法和加權(quán)最小二乘法在計(jì)算速度和計(jì)算精度等方面進(jìn)行了對(duì)比分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，加權(quán)最小二乘法最優(yōu)。

2012年，張立軍等[27]針對(duì)永磁同步輪轂電機(jī)電動(dòng)輪總成建立了包括電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型與充氣輪胎系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)引起輪胎縱向接地力的振蕩，具有明顯的階次特性。

北京理工大學(xué)的謝紹波等[28]對(duì)在前輪上運(yùn)用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車的行駛穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，建立了整車動(dòng)力性模型，同時(shí)設(shè)計(jì)了雙層控制器用來協(xié)調(diào)電機(jī)扭矩和液壓制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，最后對(duì)單移線和蛇形線工況進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制策略能夠提高車輛的橫擺穩(wěn)定性。

吉林大學(xué)的王慶年等[29-30]對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的最佳車輪滑移率實(shí)時(shí)識(shí)別進(jìn)行了研究，根據(jù)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車輪胎與路面的附著特性以及輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)提出了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)最大附著系數(shù)的滑移率識(shí)別方法，并通過仿真和實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

國(guó)立臺(tái)北科技大學(xué)的Min-Hung Hsiao等[31]在Matlab/Simulink中建立了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪的單輪模型，并設(shè)計(jì)了輪胎滑移模式觀察器用來估算輪胎相對(duì)路面的附著力和滑移率，通過所設(shè)計(jì)的輪胎滑移控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪滑移的控制，最后通過仿真驗(yàn)證了該車輛的防抱死制動(dòng)功能。

2014年，陳治宇等提出了一種基于新型擺線包絡(luò)行星減速器的電動(dòng)輪。該新型電動(dòng)輪轂以永磁無刷直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，采用新型擺線包絡(luò)減速器作為主傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了“電機(jī)—驅(qū)動(dòng)裝置—輪殼”的整體設(shè)計(jì)。該新型減速器的主嚙合副由擺線齒輪和擺線二次包絡(luò)內(nèi)齒輪組成，輸出機(jī)構(gòu)采用雙圓盤簡(jiǎn)支滾子滑槽浮動(dòng)盤形式，同時(shí)給出了擺線二次包絡(luò)齒輪的嚙合方程和齒廓方程，驗(yàn)證了該嚙合副的一對(duì)嚙合齒在一定范圍內(nèi)存在二次作用現(xiàn)象。結(jié)果表明：該新型擺線包絡(luò)行星減速器的電動(dòng)輪具有過載能力大、體積小、集成度高、制造成本低等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用在電動(dòng)輪中可實(shí)現(xiàn)單輪驅(qū)動(dòng)或全時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)[32]。

2014年，楊蔚華等[33]提出了一種用于電動(dòng)汽車的集動(dòng)力、懸架、制動(dòng)和行駛為一體的高效緊湊的多功能電動(dòng)輪系統(tǒng)。為了克服單邊磁拉力及減少漏磁，將電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成電樞在中間、永磁體在兩邊的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并將永磁體直接粘到外殼上，避免了永磁體和外殼相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦流損耗。電樞無槽無鐵芯，直接由繞組注塑而成，雙轉(zhuǎn)子和單定子構(gòu)成雙氣隙。進(jìn)行了輪轂盤式永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)了基于MR阻尼器的車輪內(nèi)裝半主動(dòng)懸架，把電動(dòng)輪與四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車車體進(jìn)行耦合，用advisor軟件建立了整車動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明：該車的動(dòng)力性與設(shè)計(jì)指標(biāo)基本相符，電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案實(shí)用、可行。

4.輪轂電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)

4.1　輪轂電機(jī)非簧載質(zhì)量的減少

由于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車需要把驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)器都集中在車輪內(nèi)，故如果不采取有效措施，必然會(huì)引起汽車非簧載質(zhì)量的增加，增大輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車垂直方向的振動(dòng)幅度，影響輪胎的附著性能，不利于汽車的控制，同時(shí)也會(huì)降低汽車的平順性和舒適性。同時(shí)，電機(jī)放置在車輪內(nèi)，電機(jī)將會(huì)承受來自路面的很大的沖擊載荷。因此，研究輪轂電機(jī)非簧載質(zhì)量的減少方法能夠指導(dǎo)電動(dòng)輪設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及理論分析，具有重要的意義。

減少非簧載質(zhì)量的方案通常包括：① 通過特殊形式的電機(jī)將非簧載質(zhì)量轉(zhuǎn)化為簧載質(zhì)量；② 利用電機(jī)質(zhì)量構(gòu)造吸振器對(duì)非簧載質(zhì)量引發(fā)的垂向振動(dòng)負(fù)效應(yīng)進(jìn)行控制；③改變簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的比值。

Johansen,Yang等[34-36]提出了通過特殊平面電機(jī)設(shè)計(jì)將電機(jī)的定子質(zhì)量轉(zhuǎn)化到簧載質(zhì)量中的方法。

Nagaya等[37]利用電機(jī)質(zhì)量構(gòu)造吸振器對(duì)非簧載質(zhì)量引發(fā)的垂向振動(dòng)負(fù)效應(yīng)進(jìn)行控制。

夏存良等[38]以雙橫臂扭桿彈簧被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架模型對(duì)車輛非簧載質(zhì)量引發(fā)的垂向振動(dòng)負(fù)效應(yīng)進(jìn)行分析，并探索了解決該問題的有效性。

趙艷娥等[39]通過設(shè)置與懸架系統(tǒng)并聯(lián)的減振機(jī)構(gòu)將輪轂電機(jī)定子質(zhì)量由簧下質(zhì)量轉(zhuǎn)化為簧上質(zhì)量。

譚迪、羅玉濤等[40-41]提出了一種內(nèi)置懸置系統(tǒng)的電動(dòng)輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案。通過設(shè)置橡膠襯套將輪轂電機(jī)作為一個(gè)整體與簧下質(zhì)量進(jìn)行彈性隔離，再將電機(jī)轉(zhuǎn)化為與簧上質(zhì)量并聯(lián)的質(zhì)量，在提高簧上和簧下質(zhì)量比值的同時(shí)盡量減小來自路面的激勵(lì)對(duì)電機(jī)氣隙的影響。

Profumo，Mellor等[42-43]提出了通過輪轂電機(jī)、輪輞和輪轂等其他零部件的一體化設(shè)計(jì)來尋求改善車輛垂向性能的方法。

B.Hredzak等[44]設(shè)計(jì)了一款采用盤式電動(dòng)機(jī)的輪轂電機(jī)。如圖3所示，該盤式電動(dòng)機(jī)由雙定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子組成，將兩個(gè)定子固定在底盤上，使其成為簧載質(zhì)量，而轉(zhuǎn)子和車輪相連以帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣只有電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部分在車輪上。這種電機(jī)的布置方式使得非簧載質(zhì)量相比整個(gè)電機(jī)布置在輪內(nèi)的方式減輕了不少。但是這種驅(qū)動(dòng)形式又帶來新問題：車輪受到的地面沖擊會(huì)直接傳遞到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上，進(jìn)而使電動(dòng)機(jī)的氣隙寬度不斷變化，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的輸出。

重慶大學(xué)的羅虹等[45]提出了一種解決非簧載質(zhì)量增加的方案，即在直接驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)的電動(dòng)系統(tǒng)中直接將電機(jī)質(zhì)量作為吸振器質(zhì)量，不另外增加質(zhì)量塊，這個(gè)方案能夠?qū)⒄麄€(gè)電機(jī)質(zhì)量作為簧載質(zhì)量。圖4為電動(dòng)輪總體布置示意圖。電機(jī)懸架由彈簧、阻尼器、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和限位裝置等組成，其中導(dǎo)向結(jié)構(gòu)使電機(jī)只能相對(duì)于車輪作垂向跳動(dòng)。

圖3　雙定子軸向磁通輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式

圖4　電動(dòng)輪總體布置示意

4.2　輪轂電機(jī)的冷卻

車輪由于經(jīng)常需要處在大負(fù)荷低速爬長(zhǎng)坡工況下，而電機(jī)又放置在狹小的車輪內(nèi)，因而容易出現(xiàn)冷卻不足導(dǎo)致電機(jī)過熱燒毀的問題。但是，從輪轂電機(jī)的防護(hù)和保養(yǎng)來看，電機(jī)的密封性越強(qiáng)越好，這使得輪轂電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量難以散向電機(jī)外，給電機(jī)的冷卻帶來了難度。因此，電機(jī)的散熱和強(qiáng)制冷卻問題亟需解決。

輪轂電機(jī)冷卻的解決方案主要有兩種：① 在電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮采用氣體(風(fēng))來冷卻電機(jī)，應(yīng)用有利于氣體循環(huán)流動(dòng)的電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)來冷卻輪轂電機(jī)；② 在電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮采用液體(水)來冷卻電機(jī)，通過設(shè)置專門的冷卻液(水)道，通過與液體的熱交換來冷卻輪轂電機(jī)。

Ryunosuke Kawashima等[46]設(shè)計(jì)了一種專門冷卻制動(dòng)盤和輪轂電機(jī)的冷卻風(fēng)扇。該方案在輪轂內(nèi)安裝一個(gè)葉片形狀輻條，利用葉片狀的輻條的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生氣流來對(duì)制動(dòng)盤和輪轂電機(jī)進(jìn)行冷卻散熱。把設(shè)計(jì)的冷卻風(fēng)扇裝在實(shí)車上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：裝有冷卻風(fēng)扇的汽車需要多消耗2%～4%的能源，但是能夠增強(qiáng)空氣的流動(dòng)，在車輪入口處增大了氣體的回旋流，使電機(jī)達(dá)到較好的散熱效果。

Gwang-Ju Park等[47]于2013年申請(qǐng)了名為“外轉(zhuǎn)子電機(jī)與外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)”的美國(guó)發(fā)明專利。該發(fā)明專利中，輪轂電機(jī)的外轉(zhuǎn)子同輪轂剛性連接，直接驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，定子由定子支架支撐在車軸上，在定子支架上設(shè)置有導(dǎo)風(fēng)槽、冷卻槽，能夠促進(jìn)輪轂內(nèi)空氣循環(huán)流動(dòng)，增強(qiáng)氣體對(duì)定子的冷卻。

Naoki Moriguchi等[48]于2012年申請(qǐng)了名為“輪轂電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)”的美國(guó)發(fā)明專利。該發(fā)明專利采用的是外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)的輪轂電機(jī)，電機(jī)的外殼做成有利于空氣流動(dòng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠加速輪轂內(nèi)空氣的循環(huán)流動(dòng)，從而使電機(jī)達(dá)到較好的散熱效果。

Royji Mizutani等[49]于2010年申請(qǐng)了名為“高效冷卻的輪轂電機(jī)”的美國(guó)發(fā)明專利。該發(fā)明專利中在輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)軸的末端設(shè)置了一個(gè)油泵，通過油泵的作用使得油箱內(nèi)的油進(jìn)入專門設(shè)置的冷卻通道直至到達(dá)電機(jī)定子，通過油與定子的熱交換冷卻定子。

孟磊等[50]于2009年申請(qǐng)了名為“一種機(jī)電集成化車輪電機(jī)”的中國(guó)發(fā)明專利。該發(fā)明專利中的輪轂電機(jī)專門設(shè)置了冷卻管道來冷卻驅(qū)動(dòng)電機(jī)。冷卻管道位于電機(jī)定子硅片、繞組和驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體之間，電機(jī)后蓋板固定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體的一側(cè)，冷卻管路接口通過電機(jī)后蓋板與外部連接。

張建成[51]于2009年申請(qǐng)了名為“水冷磁阻定子繞組車輪電機(jī)”的中國(guó)發(fā)明專利。在該發(fā)明專利中，輪轂電機(jī)在電機(jī)主軸上安裝了磁阻轉(zhuǎn)子鐵心，水冷磁阻定子繞阻安裝在電機(jī)內(nèi)殼內(nèi)，電機(jī)內(nèi)殼與電機(jī)外殼間是一能夠流通冷卻介質(zhì)的空腔，冷卻介質(zhì)從空腔入口進(jìn)入，從出口流出，從而達(dá)到冷卻定子繞組的目的。

吳尤利[52]于2008年申請(qǐng)了名為“一種車輪電機(jī)及其應(yīng)用”的中國(guó)發(fā)明專利。在該發(fā)明專利中，輪轂電機(jī)采用水冷輪轂和定子繞組的方法，在輪轂上設(shè)置環(huán)形槽，在環(huán)形槽內(nèi)設(shè)置冷卻水管道，冷卻水通過在冷卻水管的循環(huán)流動(dòng)來冷卻輪轂和定子繞組。

5輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向

由于車輪內(nèi)部空間有限，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)、減速機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)的合理布置增加了難度。采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度性能要求高，設(shè)計(jì)難度大，同時(shí)，由于輪轂電機(jī)工作環(huán)境惡劣，必然需要通過對(duì)輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)來保證輪轂電機(jī)安全、高效地運(yùn)行。

由于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車取消了傳統(tǒng)汽車的機(jī)械傳動(dòng)部分，所以無法采用機(jī)械差速器對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車進(jìn)行差速控制，雖然現(xiàn)在出現(xiàn)了電子差速器，但是當(dāng)車速超過一定值時(shí)，車輛就會(huì)出現(xiàn)明顯的方向失穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)于傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)配備減速裝置驅(qū)動(dòng)車輛的方案可以使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置更加靈活，并且可以沿用原來的液壓制動(dòng)系統(tǒng)作為行車制動(dòng)系統(tǒng)，只需采用電動(dòng)真空泵為真空助力器提供一定的真空度即可。但是對(duì)于輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，輪轂電機(jī)占據(jù)了車輪內(nèi)部的大部分空間，這就使得機(jī)械制動(dòng)器的布置產(chǎn)生了困難，即使采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化安裝了機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，緊湊的布置形式也很可能產(chǎn)生影響制動(dòng)器及輪轂電機(jī)的散熱、機(jī)械制動(dòng)和再生制動(dòng)的協(xié)調(diào)等方面的問題，同時(shí)影響車輪的定位參數(shù)，造成電動(dòng)汽車操縱穩(wěn)定性的下降。因此，輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)控制也是今后需要研究的關(guān)鍵技術(shù)[53]。

將電機(jī)布置在輪轂內(nèi)，在不平路面激勵(lì)下的輪胎跳動(dòng)、載荷不均、安裝誤差等都將引起電機(jī)氣隙不均勻，這將使得輪轂電機(jī)引起的振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)一步惡化，同時(shí)引起定轉(zhuǎn)子及相鄰部件的振動(dòng)，給車輛的平順性和接地安全性帶來不利的影響，通過研究輪轂電機(jī)與整車性能的匹配來消除這種不利影響已成為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展所要解決的關(guān)鍵問題之一。

6結(jié)束語

本文介紹了輪轂電機(jī)概念和驅(qū)動(dòng)形式，分析了有關(guān)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。從輪轂電機(jī)非簧載質(zhì)量的增加、輪轂電機(jī)的冷卻2個(gè)方面討論了輪轂電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)問題，提出了今后輪轂電機(jī)需要研究的關(guān)鍵技術(shù)：① 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)；② 輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)控制；③ 輪轂電機(jī)與整車性能的匹配。

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(責(zé)任編輯劉舸)

收稿日期：2015-03-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275212)

作者簡(jiǎn)介：何仁(1962—)，男，江蘇南京人，博士，教授，主要從事汽車機(jī)電一體化技術(shù)研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.002

中圖分類號(hào)：U461.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2015)07-0010-09

Research and Development of in-Wheel Motor Drive Technology

HE Ren, ZHANG Rui-jun

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:In-wheel motors have been applied in electric vehicles for their characteristics of high transmission efficiency and simple structure. The principle and research situation of in-wheel motors were given to expand their application scopes and functions，and the concept and drive form of in-wheel motor were introduced，and the present situation of application and research of in-wheel motor drive technology at home and abroad were analyzed. The solutions to decrease the unsprung mass and the cooling of in-wheel motor were analyzed and the key technologies about coordinated control problems were proposed：the structure design and optimization of the hub motor，the driving and braking of control in-wheel motor and the matching of hub motor and vehicle performance.

Key words：in-wheel motor; driving; braking; unsprung mass; cooling

引用格式：何仁,張瑞軍.輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(7):10-18.

Citation format：HE Ren, ZHANG Rui-jun.Research and Development of in-Wheel Motor Drive Technology[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(7):10-18.