新能源電動(dòng)汽車用輪轂電機(jī)技術(shù)探討

徐 齊

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東滕州 277500）

0 引言

隨著天然氣、石油等能源資源的消耗量逐年增大，其對(duì)于大氣環(huán)境所造成的影響越來越顯著，促使社會(huì)發(fā)展受到限制。在這種背景下，新能源電動(dòng)汽車能夠有效實(shí)現(xiàn)無污染、低噪聲的要求，電動(dòng)汽車在社會(huì)中獲得廣泛的認(rèn)可，促使學(xué)術(shù)界開始將研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移至電動(dòng)汽車領(lǐng)域。結(jié)合電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式在實(shí)踐過程中使用的頻率相對(duì)較高，這是因?yàn)檫@種驅(qū)動(dòng)方式具備較強(qiáng)的靈活性、動(dòng)力傳輸效率比較高等優(yōu)勢(shì)。

1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式比較

1.1 傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車驅(qū)動(dòng)模式

傳統(tǒng)型的汽車采用內(nèi)燃機(jī)功能的方式，這種驅(qū)動(dòng)方式是借助內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車行駛。內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的發(fā)動(dòng)機(jī)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)出較大的噪聲且發(fā)動(dòng)機(jī)比較重，后期的檢修難度比較大，最重要的是內(nèi)燃機(jī)需要使用石油作為燃料進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，缺乏環(huán)保性。

1.2 新能源電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)模式

新能源電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)方式大致可分為以下3 種：①集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式；②輪轂驅(qū)動(dòng)方式；③輪邊驅(qū)動(dòng)方式。下面對(duì)這3種驅(qū)動(dòng)方式逐一進(jìn)行介紹：

（1）集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。相對(duì)于其他兩種驅(qū)動(dòng)方式，集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)汽車的驅(qū)動(dòng)方式差異性并不是很大，僅是將傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)中的發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)殡姍C(jī)。驅(qū)動(dòng)形式的變化幅度不大，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面的難度也不大，但是這種方式所暴露出來的問題是供能效率非常低，會(huì)消耗大量的電力資源。

（2）輪邊驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)方式是電動(dòng)汽車首選的一種方式，通過將電機(jī)與減速器之間進(jìn)行連接，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面的難度不大，這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效的簡(jiǎn)化自身的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、減輕汽車的自重、提高電機(jī)的工作效率。

（3）輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)方式是將多個(gè)不同的子系統(tǒng)均裝置在汽車的輪轂結(jié)構(gòu)內(nèi)，這樣可以有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化汽車的傳動(dòng)效率。

2 輪毅電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式及特點(diǎn)

集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)是將傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)改變成電機(jī)，汽車其他部分的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，無法有效的展現(xiàn)出電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)，且這種驅(qū)動(dòng)方式的耗能比較大。

輪邊電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后期檢修的優(yōu)勢(shì)顯著，且目前此方面的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，應(yīng)該會(huì)成為電動(dòng)汽車行業(yè)未來的發(fā)展核心。

輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，能夠有效展現(xiàn)出輕量化特點(diǎn)，可以有效提升汽車的控制響應(yīng)速度。其中，輪轂電機(jī)又可以細(xì)分為直接驅(qū)動(dòng)方式與減速驅(qū)動(dòng)方式（圖1）。減速驅(qū)動(dòng)電機(jī)的比功率與效率都非常高，但是因?yàn)殡姍C(jī)自身的體積不是很大，所以能夠有效保障電機(jī)穩(wěn)定的輸出功率。這種方式的不足體現(xiàn)在：電機(jī)高速運(yùn)行的狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致齒輪磨損進(jìn)一步加劇，促使電機(jī)的使用周期減少；電機(jī)的散熱難度比較大、噪聲比較大。而直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于未設(shè)置中間環(huán)節(jié)，所以系統(tǒng)的響應(yīng)速度非?？?，能夠有效提高系統(tǒng)的工作效率，但是這種電機(jī)的成本相對(duì)較高，且在過載的情況下汽車的性能會(huì)受到很大的影響。減速式和直驅(qū)式輪轂異同見表1，減速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 減速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)

表1 減速式和直驅(qū)式輪轂異同

圖1 減速驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)構(gòu)造

由于輪轂電機(jī)自身的功能及部位較為特殊，所以輪轂電機(jī)應(yīng)該展現(xiàn)出4 個(gè)特點(diǎn)：①當(dāng)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較高，而轉(zhuǎn)速卻非常低；②在功率穩(wěn)定的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較低，而轉(zhuǎn)速卻非常高；③電機(jī)的自重比較輕，但是工作效率非常高；④可以實(shí)現(xiàn)能量回收以及強(qiáng)制制動(dòng)功能。

3 不同種類輪轂電機(jī)的技術(shù)

為了保障電動(dòng)汽車的性能達(dá)到實(shí)際工作的要求，必須要保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)具備以下要求：當(dāng)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較高，而轉(zhuǎn)速卻非常低；在功率穩(wěn)定的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較低，而轉(zhuǎn)速卻非常高；電機(jī)的自重比較輕，但是工作效率非常高；可以實(shí)現(xiàn)能量回收以及強(qiáng)制制動(dòng)功能。比較合適的輪轂電機(jī)有異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、直流電機(jī)等。每一種電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)都存在一定的差異性，下面對(duì)這些電機(jī)進(jìn)行介紹。

3.1 直流電機(jī)

這種類型的電機(jī)操作性不難，技術(shù)層面的發(fā)展比較成熟。往往都是借助電樞控制、弱磁實(shí)現(xiàn)對(duì)變速箱的控制?？紤]到汽車的性能要求，一般在恒定轉(zhuǎn)矩區(qū)都是采用比較大的轉(zhuǎn)矩；而在恒定功率區(qū)則是采用較大的轉(zhuǎn)速。但是汽車是借助機(jī)械實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的，所以可能會(huì)導(dǎo)致電刷的磨損比較嚴(yán)重，后期維護(hù)保養(yǎng)的頻率比較高。同時(shí)，這種類型的電機(jī)體積比較大，生產(chǎn)成本比較高。目前直流電機(jī)在市場(chǎng)中的使用頻率不高。

3.2 異步電機(jī)

這種類型的電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)電機(jī)比較經(jīng)濟(jì)且耐用，轉(zhuǎn)矩偏小，電機(jī)運(yùn)行過程中所造成的噪聲比較低，不需要額外設(shè)置傳感器。異步電機(jī)的缺陷主要是表現(xiàn)為：生產(chǎn)成本比較高、驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜等。由于這種電機(jī)的工作效率比較低，所以異步電機(jī)也不適用于電動(dòng)汽車中。

3.3 永磁無刷直流電機(jī)

這種類型的電機(jī)使用電子轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器有效替代轉(zhuǎn)向器的作用，這種組件可以促使電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)電機(jī)性能的調(diào)整，且在實(shí)際運(yùn)行的過程中比較穩(wěn)定，后期維護(hù)的難度不大，不會(huì)造成額外的能量消耗，工作效率非常高。所以這種電機(jī)能適用在輪轂電機(jī)中。

3.4 永磁同步電機(jī)

這種類型的電機(jī)與永磁無刷直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面基本上相同，主要的區(qū)別是這種電機(jī)是采用正弦波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。假若按照永磁體裝置的方式進(jìn)行區(qū)分，可以將其分為內(nèi)置式與表面式。表面式的電機(jī)一般都是配備低轉(zhuǎn)速的電機(jī)，而內(nèi)置式的電機(jī)則是配備高轉(zhuǎn)速的電機(jī)。相對(duì)于其他類型的電機(jī)，永磁同步電機(jī)的噪聲非常小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不是很大，能有效實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度控制，成為輪轂電機(jī)的選擇之一。

3.5 開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)在未來的發(fā)展過程中必然會(huì)成為輪轂電機(jī)中的重點(diǎn)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子與定子全部是采用凸極結(jié)構(gòu)，但是定子與轉(zhuǎn)子的組合極數(shù)存在差異，一般有兩種表現(xiàn)形式：①定子6 極，轉(zhuǎn)子4 極；②定子8 極，轉(zhuǎn)子6 極。這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子上不但不會(huì)設(shè)置繞組，且還不會(huì)設(shè)置永磁體，但是會(huì)在定子上安裝繞組。開關(guān)磁阻電機(jī)的工作效率相對(duì)而言非常高，且功率密度也明顯比其他電機(jī)大，加之開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍非常寬泛，促使其在輪轂電機(jī)中的競(jìng)爭(zhēng)性比較強(qiáng)。

3.6 橫向磁通電機(jī)

相對(duì)于其他電機(jī)而言，這種電機(jī)的優(yōu)勢(shì)更為顯著，其主要是突顯出以下3 個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：①能夠有效的實(shí)現(xiàn)電路與磁路之間的解耦，且設(shè)計(jì)方面的自由性也得到的提升；②雖然工作效率與轉(zhuǎn)矩都比較高，但是僅是適合低轉(zhuǎn)速環(huán)境下；③電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)型的電機(jī)繞組存在顯著差異。

4 輪轂電機(jī)未來發(fā)展

輪轂電機(jī)的優(yōu)化方向主要有以下3 個(gè)：①應(yīng)該提升調(diào)速范圍與轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)范圍，有效滿足不同施工情況的需求；②提升工作效益與能源利用率，有效降低電機(jī)的自身重量；③可以有效解決電機(jī)再加速冷卻、密封以及抗振等多方面表現(xiàn)出來的問題，促使電機(jī)的可靠性得到有效提升。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，電池、控制系統(tǒng)都獲得良好的發(fā)展，輪轂技術(shù)必然在未來獲得更大的發(fā)展。

5 結(jié)語

輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較的復(fù)雜，與傳統(tǒng)性汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在顯著的差異，這對(duì)于汽車的布置有顯著的影響。輪轂電機(jī)的出現(xiàn)能夠有效的促使電動(dòng)汽車的動(dòng)力分配更為靈活，在很大程度上改善汽車的整體性能。但是結(jié)合實(shí)際情況來看，目前輪轂電機(jī)技術(shù)在電動(dòng)汽車方面的應(yīng)用仍然存在諸多的不足之處尚待解決。學(xué)術(shù)界應(yīng)該積極的面對(duì)這一問題，提出科學(xué)合理的應(yīng)對(duì)方案，以推動(dòng)電動(dòng)汽車獲得更大的發(fā)展。