論輪轂電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展

文：張秋、徐春保

一、概述

1．輪轂電機(jī)技術(shù)

輪轂電機(jī)技術(shù)又稱車輪內(nèi)裝電機(jī)技術(shù)，是純電動汽車的一種先進(jìn)的驅(qū)動方式（圖1）。早在20世紀(jì)50年代初，美國人羅伯特就發(fā)明了將電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置，這就是最早的輪轂電機(jī)技術(shù)。1968年該技術(shù)被通用電氣公司應(yīng)用于大型礦用自卸車上。

（1）輪轂電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

近年來純電動汽車的快速發(fā)展，更是將輪轂電機(jī)技術(shù)提升到了一個(gè)新高度。輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以靈活地布置于各類電動車輛的前輪、后輪，甚至所有車輪中，直接驅(qū)動輪轂旋轉(zhuǎn)。與內(nèi)燃機(jī)、單電機(jī)等傳統(tǒng)集中驅(qū)動方式相比，其在動力配置、傳動結(jié)構(gòu)、操控性能以及能源利用等方面的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)極為明顯，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

圖1 輪轂電機(jī)

①動力控制由硬連接改為軟連接，能通過電子控制器實(shí)現(xiàn)各輪轂從零到最大速度之間的無級變速和輪轂間的差速要求。

②整車布局和車身造型設(shè)計(jì)的自由大大增加。采用輪轂電機(jī)技術(shù)后，可以將底架的承載功能與傳動功能分離，橋架結(jié)構(gòu)大為簡化，更容易實(shí)現(xiàn)相同底盤不同車身造型的產(chǎn)品多樣和系列化，縮短新車開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

③各輪轂扭矩獨(dú)立可控，響應(yīng)快捷，正反轉(zhuǎn)靈活，瞬間動力性能更為優(yōu)越，顯著提高了適應(yīng)惡劣路面條件的行駛能力。

④容易實(shí)現(xiàn)輪轂的電氣制動、機(jī)電復(fù)合制動和制動過程中的能量反饋，還能對整車能源實(shí)現(xiàn)高效利用并實(shí)施最優(yōu)化控制與管理，有效節(jié)約能源。

⑤由輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車，若進(jìn)一步導(dǎo)入四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)（4WS），不但能減小轉(zhuǎn)向半徑，還可能實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。

（2）永磁同步電機(jī)

目前，電動汽車使用的電動機(jī)主要是永磁同步電機(jī)。而在輪轂電機(jī)發(fā)展歷程中，永磁同步電機(jī)絕對占據(jù)主流地位。

由永磁體勵(lì)磁產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場的同步電機(jī)，就被稱為永磁同步電機(jī)。永磁同步電動機(jī)之所以能成為主流產(chǎn)品，其優(yōu)勢就在于結(jié)構(gòu)簡單、體積較小。和直流電機(jī)及異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)損耗最低，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷，也不需要無功勵(lì)磁電流，這在一定程度上彌補(bǔ)了技術(shù)缺陷。其次，永磁同步電動機(jī)和普通電動機(jī)相比，它省去了勵(lì)磁裝置，結(jié)構(gòu)更為簡單，效率也更高。

不過它的缺點(diǎn)也不容忽視，那就是它具有制造成本高、起動困難等缺陷。在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)高精度、大范圍的動態(tài)性能調(diào)速或定位控制。毫無疑問，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)已經(jīng)成為各企業(yè)和許多學(xué)者研究的主要對象。

2．輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)

輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)子和輪轂合為一體，輪胎就固定在轉(zhuǎn)子上。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁激勵(lì)下轉(zhuǎn)動，從而帶動輪胎轉(zhuǎn)動。輪轂電機(jī)可以回收能量，還可以與現(xiàn)有車輛上的傳統(tǒng)動力系統(tǒng)配合，改裝為混合動力汽車，使車輛燃油消耗降低多達(dá)30%。

二、輪轂電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

1．傳動結(jié)構(gòu)簡單

采用輪轂電機(jī)后，可以省去離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器，車輛結(jié)構(gòu)更加簡單，減輕了質(zhì)量，而且還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。

2．靈活的驅(qū)動方式

由于輪轂電機(jī)具備單個(gè)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。

常見的驅(qū)動方式分為減速驅(qū)動和直接驅(qū)動兩大類。

（1）減速驅(qū)動

使用減速驅(qū)動方式下，電機(jī)通常在高速下運(yùn)行，且對電機(jī)的其他性能沒有特殊的要求，所以可以選用普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。減速機(jī)構(gòu)放置在電機(jī)和車輪之間，起到減速和增扭的作用。

其優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下，具有較高的比功率和效率，體積小、質(zhì)量輕，通過齒輪增大扭矩、爬坡性能好。缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)液態(tài)潤滑、齒輪磨損較快、使用壽命短、不易散熱以及工作噪聲偏大等。一般適用于丘陵或山區(qū)、要求過載能力較大的場合。

（2）直接驅(qū)動

直接驅(qū)動方式下，電機(jī)多采用外轉(zhuǎn)子，即直接將轉(zhuǎn)子安裝在輪輞上。為了使汽車能順利起步，要求電機(jī)在低速時(shí)能提供大轉(zhuǎn)矩。同時(shí)為了使汽車有較好的動力性，電機(jī)需具有較寬的調(diào)速范圍。

直接驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)是沒有減速機(jī)構(gòu)，使得整個(gè)驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊，軸向尺寸也減小，使效率進(jìn)一步提高，響應(yīng)速度也更快。缺點(diǎn)是起步或爬坡等承載大扭矩時(shí)需大電流，容易損壞電池和永磁體；電機(jī)效率峰值區(qū)域很小，負(fù)載電流超過一定值后效率急劇下降。因此該驅(qū)動方式適用于平坦路面、負(fù)載較輕等場合。

3．多種動能匹配

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。無論是純電動汽車還是燃料電池電動汽車，或是增程式混動汽車，都可以用輪轂電機(jī)作為主要驅(qū)動力。即便是對于普通混合動力車型，也可以采用輪轂電機(jī)作為起步或者急加速時(shí)的助力。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)。

4．能量消耗低

輪轂電機(jī)的采用大幅度降低了動力傳輸過程中能量損失。由于減少了傳動系統(tǒng)，減輕了質(zhì)量，能耗相對就會減少。因此可以提高載重量，續(xù)航能力增強(qiáng)。

5．節(jié)約材料

由于省略了傳動系統(tǒng)，就節(jié)省了大量的資源，尤其一些貴重金屬，也同時(shí)節(jié)省了大量的加工時(shí)間。在資源和時(shí)間上的節(jié)省，相對而言就提升了生產(chǎn)效率。

圖2 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)

6．維護(hù)簡單

輪轂電機(jī)的使用，減去了變速系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，減少了油液的使用，后續(xù)維護(hù)費(fèi)用低，維護(hù)簡單。最適合城市里的低速中短途交通工具。

三、輪轂電機(jī)缺點(diǎn)

1．操控性

輪轂電機(jī)要安裝在輪輞內(nèi)，這使得車輛的非簧載質(zhì)量增加，不利于操控。

2．制動性

對于電動汽車，由于能源的關(guān)系，多采用電制動，電渦流制動容量不高，不易滿足整車制動性。

四、發(fā)展前景

隨著新能源汽車驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展升級，輪轂電機(jī)技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野。輪轂電機(jī)技術(shù)被看作是新能源汽車未來最佳的驅(qū)動解決方案。近年來，新能源汽車發(fā)展步伐加快，輪轂電機(jī)技術(shù)要迎來大展拳腳的好時(shí)機(jī)。

目前輪轂電機(jī)還有很多問題沒有解決，尚不能形成市場。但是隨著純電動汽車的保有量繼續(xù)增加，輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的普遍應(yīng)用已經(jīng)指日可待。目前國內(nèi)輪轂電機(jī)制造商以及新能源汽車企業(yè)對輪轂電機(jī)市場充滿信心，正在加緊產(chǎn)業(yè)化布局及市場推廣。

輪轂電機(jī)技術(shù)具備很大的優(yōu)勢，它布局更為靈活，不需要復(fù)雜的機(jī)械傳動系統(tǒng)。但同時(shí)它也有自己的顯著不足，比如密封和起步電流/扭矩間的平衡關(guān)系，以及轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動輪的差速問題等等。輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是純電動汽車未來的先進(jìn)驅(qū)動方式，高品質(zhì)輪轂電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)目前已經(jīng)成為國內(nèi)外電氣工程領(lǐng)域的重要研究對象。而在我國，輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景。