電動汽車輪轂電機的發(fā)展現狀和關鍵技術

趙烜鋒

摘要：電動汽車輪轂電機具有傳動效率高、控制靈活、結構緊湊等優(yōu)勢，與其他電機相比，由輪轂電機所去驅動的電動汽車將成為新能源行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。電動汽車輪轂電機技術作為關鍵技術，對電動汽車性能將發(fā)揮出重要作用。本文針對電動汽車輪轂電機的結構設計、部件鐵芯制造技術、并行免疫PID控制技術、基于JMAG的電磁分析方案等做出詳細分析，探討了電動汽車輪轂電機未來的發(fā)展。

Abstract： The hub motor of electric vehicles has the advantages of high transmission efficiency， flexible control and compact structure.Compared with other motors， the electric vehicles driven by the hub motor will become the main trend of the development of the new energy industry. As a key technology， EV hub motor technology will play an important role in the performance of electric vehicles. This paper analyzes the structural design of the electric vehicle hub motor， the component core manufacturing technology， the parallel immune PID control technology， and the electromagnetic analysis scheme based on JMAG， and discusses the future development of the electric vehicle hub motor.

關鍵詞：電動汽車;輪轂電機;發(fā)展現狀;關鍵技術

Key words： electric vehicles;hub motor;development status;key technology

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0082-03

1 ?輪轂電機技術的發(fā)展現狀

輪轂電機作為電動汽車的主要部件，輪轂電機技術的進步和發(fā)展，能夠發(fā)揮出電動汽車的巨大功能和優(yōu)勢。輪轂電機的使用彌補了傳統(tǒng)內燃機上的離合器、變速器等機械零件的不足，能夠顯著增強機械運行的效率和工作效率，使整車成本明顯降低。國外輪轂電機發(fā)展相對較早，輪轂電機主要是由美國人羅伯特在20世紀50年代發(fā)明的。輪轂電機的研究領域中所占位置最高的就是日本地區(qū)，豐田、本田等車型中已經將先進的輪轂電機應用到其中。我國汽車行業(yè)，尤其是新能源電動汽車發(fā)展較晚，并且已經將電動汽車融入到“863”計劃，輪轂電機的研發(fā)和系統(tǒng)的應用其基礎較為薄弱與國外先進技術相比有很大差距。[1]同時，美國、日本和歐洲等發(fā)達的國家，政府部門對于汽車排放尾氣要求越來越嚴格、鼓勵新技術的發(fā)展等，各大汽車公司都相繼投入了大量的人力和物力等，主要用于電動汽車的研發(fā)，以推出更多新的產品。由此可見，研發(fā)經費或者優(yōu)惠政策的提出，在推動電動車行業(yè)發(fā)展方面具有重要作用。

輪轂電機的優(yōu)點主要包括：如表1所示。

總體來看，集中式的驅動系統(tǒng)在與傳統(tǒng)內燃機汽車相對比，其很多地方較為相似。因此，這兩種系統(tǒng)具有成本高和控制復雜等不足。分布式驅動系統(tǒng)與集中驅動系統(tǒng)相比，分布式驅動系統(tǒng)的優(yōu)點主要表現為：節(jié)能、經濟性高、空間利用率高。從傳動效率上看，輪轂電機驅動明顯優(yōu)于輪邊電機驅動。

我國輪轂電機發(fā)展道路還是比較漫長，由于電機本體設計、電機優(yōu)化等還不夠成熟，其范圍使用較小?？刂葡到y(tǒng)的研發(fā)有很多基礎，產品也滿足了電動汽車的要求。但在散熱方面其研究還不夠深入，油冷方面的研究相對較少。國內輪轂電機發(fā)展并不成熟，還需與國際接軌，全面提升輪轂電機研發(fā)、生產、技術應用的水平。[2]

2 ?電動汽車輪轂電機基本結構和關鍵技術分析

2.1 電動輪轂電機基本結構設計

由圖1可以得知，本文所設計的輪轂電機結構，其一側端面處于密封狀，殼體（1）上設置了安裝孔，主要與汽車輪輞相互搭配。殼體運用緊固件將其安裝在汽車輪輞內側端。另外一端殼體內腔處于敞開的狀態(tài)，并運用硅鋼片和定子繞組進行相互纏繞，斷面上也設有安裝孔，將緊固件安裝在車輪輞內側中，殼體敞開端通過形成內腔，中間軸（4）和安裝套（5）在通過內軸承（7）安裝到電機軸之上，外軸承（8）在安裝到殼體內表面，定子安裝到定子座（6）。定子座和殼體內腔之間形成了安置腔，腔內有磁鋼（9）。殼體徑向圓周處有若干個瓦片狀磁鋼，磁鋼也與定子繞組保持相互對應，定子在安裝到定子座的安裝套之上，兩套軸承連接轉子殼和定子座。其中軸承主要分為內軸承和外軸承，內軸承主要是汽車用輪轂軸承。[3]

2.2 ?實驗

結合電機性能不穩(wěn)定問題的解決，通過選擇和設計一種全新輪轂電機，能夠使輪轂電機更加安全可靠。本文主要采用油內冷和改進轉子鐵心機械機構的方案，開展實驗研究：

由外轉子的寬度和間隙所得到的值為固定值，主要是指外轉子的邊緣。本文利用二維周向磁場構建分析模型，以對比之前的變化和之后的變化。其一，改進之前磁鋼寬度為22mm，間隙為1.8mm;改進之后，磁鋼寬度為20.5mm，間隙為1.6mm。相比之下，我們可以理解，改進后的氣隙磁場波形相對平滑，形狀也逐步向正弦波靠攏，能夠對電機振動和耗損等進行控制，使電機更加穩(wěn)定。

本文在對改進之后的電機系統(tǒng)進行測定，即深入到不同轉矩效率開展測試，通過改變加速大小逐步增大轉矩的大小。如果電機在一定的轉矩值下繼續(xù)運行20秒，則通過測量，得出相應功率，如：輸入功率、輸出功率，通過分析這兩個功率，以掌握系統(tǒng)的運行效率。測定的時間范圍可以在400r/min、600r/min、800r/min、1000r/min時開展性能的測試，如圖2所示。

如圖2我們可以了解到：測試電流特性（Iin-T）曲線。線性的關系為輸入電流、輸出轉矩等，通過這一線性關系我們了解到輪轂電機運行過程中其電流較為穩(wěn)定，能夠發(fā)揮出其效能。通過對比測試還能夠了解到：外轉子輪轂電機在采用油內冷卻方式后，能夠將輪轂電機的溫升有效控制實物不僅能夠將電機高效運行的區(qū)域進行擴大，還能夠明顯增加電機的效率。

2.3 關鍵技術

2.3.1 部件鐵心制造技術

電機輪轂電機功率、轉矩、力能量密度大，電機電磁力產生的負載大。其損耗產生部件鐵心制造技術是提升功率密度的主要因素，選擇適合的輪轂電機鐵心制造技術，論述機械連接、焊接、粘接等技術。

電機鐵心損耗主要有磁滯損耗、渦流損耗兩個部分，磁滯損耗由硅鋼片材質所決定，厚度、片間絕緣等影響。渦流損耗？籽w：

如下所示：

其中公式中？籽主要是硅鋼片電阻率;f為磁場交變頻率;d為硅鋼片的厚度;Bm為最大感應強度;V為鐵心體積。

①鐵芯裝配工藝。定子疊片在裝配成為定子之后，定子中在將繞線應用其中。裝配的方式有很多，如：扣片加固技術裝配有以下優(yōu)勢：設計合理;能夠避免高溫產生較大的損害;穩(wěn)定性強;螺栓連接需要在定子中打額外的孔，這一方式連接定子很容易出現分離的情況，且還會出現繞線的情況。鉚接過程中運用較長的鉚釘條末端位置，應采用重的壓頭開展有效壓裝;自鎖式工藝中下一板塊中所沖出的凹坑，應運用上一版塊上所凸起的板塊進行填充;凹坑、沖頭設計相對合理，通過在壓應力的作用之下，將片與片之間實現自鎖。

②鐵心的焊接。利用激光焊接的方式或者離子焊接的方式，對疊片進行連接，連接時應該與整片進行連接;整體焊接時還可以采用氬弧焊接，將已經疊裝的定子進行焊接;除了焊接之后，還可以采用膠粘方式，以選擇適合的膠層，固化之后不會產生較大的內應力。新的膠層在出現之后，需及時更換膠層，根據對比以找出不同膠層對粘結應力的影響。

2.3.2 并行免疫PID控制技術

電動汽車一旦啟動，需立即開展電氣系統(tǒng)的有效檢測。在檢測之后，駕駛員才能進入到電動汽車之中進行操作。駕駛員在沒有發(fā)出驅動請求之后，輪轂電機驅動控制器，借助CAN網絡和傳感器等對電動汽車運行情況開展有效實時的監(jiān)測。輪轂電機驅動器在檢測時，能夠對驅動踏板傳感器等進行監(jiān)測，進而使駕駛員準確了解相應的請求。當發(fā)出驅動指令之后可以立即自動，將能量回收。一旦系統(tǒng)出現故障，該驅動系統(tǒng)能夠及時發(fā)出報警信息，提示駕駛員，從而保障車輛的安全性。驅動系統(tǒng)EBS，是運用電子控制取代傳統(tǒng)的機械對驅動系統(tǒng)進行控制，從而提升驅動的功能。[4]

借助AIA算法，運用Kp、Ki、Kd等抗體，性能指標主要為目標函數抗原。結合當前的實際情況，選用以十進制編碼的方式形成參數空間與參數編碼空間，保障這兩個空間一一相互對應，抗體v被選擇復制的概率為：

遺傳算法中使用精英維持策略，結合所預設的交叉概率主要選用兩個交叉抗體。[5]通過將控制器的性能指數作為抗原，作為優(yōu)化問題的目的函數，能夠將PID三個增益系數化作為抗體，以將其作為解決問題的主要應對措施。采用十進的制編碼以得到抗體的編碼。采用基于抗體濃度的調節(jié)機制和多樣性維持戰(zhàn)略，以加大對抗體濃度的有效控制，使輪轂電機能夠保持最佳的運行狀態(tài)，提升驅動控制的質量。本文對自行設計輪轂電機，其算法上更有優(yōu)勢。

2.3.3 基于JMAG電磁分析的方案

這一方案和技術應用主要解決了電動汽車輪轂電機負載情況下所產生的鐵芯耗損問題。該方案內容為：

①輪轂電機鐵芯材料的鐵損原理。

鐵芯耗損也就是鐵損，可以分為2類：第一，磁通密度B會受到時間上的影響而引起感應渦流損耗，運用We進行表示;第二，磁通密度B受到充磁過程而出現磁滯損耗Wh。

渦流損耗的認定主要是由磁通密度B、鐵芯原材料板厚d、電阻率？籽fe所決定的。當磁通波處于飽和區(qū)附近后，出現畸變的情況，磁通密度Bve也可以再次進行計算。渦流損耗經常使用經典理論值K倍公式開展計算。其中K也主要為物理常數。[6]

②仿真的分析。

本文主要選用JMAG-Express參數化組建的模型功能。電機繞線也主要應用集中繞組的方法，進行星型連接的方式，圈數為20圈。結合仿真的結果我們可以看出的：第一，利用2種鐵心材料，將不會使原材板厚產生任何的影響。厚度的一致性，將會導致硅鋼片排耗越來越低，出現的鐵損磁密范圍也會減少。第二，電機鐵芯材料不會發(fā)生任何的變化。將鐵芯原材料板厚進行改變之后，主要運用厚度為0.5mm的硅鋼片，當材料相同時，硅鋼片也就越厚，鐵損磁密分布的范圍也就越大。

不同的厚度產生的影響不同，尤其是在電機效率方面產生的影響有很大差異。例如：JN230這一原材在應用后，其他厚度應用也不會對電機高效區(qū)產生影響。而厚度較小，硅鋼片則會發(fā)生較大的變化，使電機效率明顯減弱;鐵芯原材如果為0.35mm，其他的材料所發(fā)揮出的作用不大。

3 ?中國電動汽車電機發(fā)展舉措

3.1 關鍵技術深入研究和創(chuàng)新

國內的驅動電機無論是在制造工藝方面還是技術創(chuàng)新方面都與國外驅動電機有很大區(qū)別。如：國外針對于電機研發(fā)比較重視，其投入相對較大，尤其是國外針對于電機研發(fā)和關鍵技術進行了深入研究。從調查中我們了解到，國外電機產品在可靠性上、故障率方面、振動噪聲方面等都有很大的優(yōu)勢。我國正處于學習、不斷超越和模仿的階段，制造工藝水平和產品性能、關鍵材料等都需有待改善。我國目前還需要進口的產品有：軸承或者一些高精度的部件、硅鋼片等。

新能源汽車中最為關鍵的技術就是電機系統(tǒng)，與傳統(tǒng)燃油汽車在構造上有很大的區(qū)別，即電機取代了發(fā)動機。其主要表現在：

①電動機具有較強的過載能力且擁有強大的功率，相對于燃油汽車，其在加速方面有很大優(yōu)勢。

②電動汽車電動機具備強大的調速功能，即包括恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū)。這兩個功能決定著汽車的爬坡和起動情況、平坦路面高速行使的情況。

③運行效率較高，能夠提升1次充電的續(xù)駛里程。

目前，從相關的研究調研中了解到，電機驅動系統(tǒng)中的各個結構發(fā)揮著不同的作用和缺點，以下對此進行分析：如表4所示。

結合不同電機，我國電動汽車領域應在傳統(tǒng)工業(yè)電機基礎上進行技術改造，以為新能源汽車電機提供給整車廠。通過加大新產品研發(fā)資金的投入、重視人才培養(yǎng)、實現知識共享等，以研發(fā)出更多創(chuàng)新的關鍵技術。

3.2 電機生產商應與電機企業(yè)之間加大聯(lián)系

新能源汽車在性能方面、路面行駛方面想要具備較大的競爭能力，電機廠如果一直采用的傳統(tǒng)的工業(yè)電機生產經驗，將難以凸顯自身的優(yōu)勢。電機生產商應加大與電機企業(yè)之間的聯(lián)系，在生產經驗上稍稍做出改進，以延長電機的使用壽命，避免之前出現局部過熱、線路短路等情況。既然我國已經認識到電動汽車在今后的發(fā)展趨勢，應嚴格從電機研發(fā)、電機試驗、電機投產、材料等方面加強嚴格的把控。電機企業(yè)在與相應的供應商開展交流和合作時，需結合自身的發(fā)展現狀和制定的長遠戰(zhàn)略目標，為了實現共贏，生產出壽命更長、質量更好的電機，供應商和電機企業(yè)不能以眼前的“蠅頭小利”為主，需對存在的問題進行共同解決，以為雙方帶來較大的經濟效益。

參考文獻：

[1]劉春暉.淺談電動汽車驅動系統(tǒng)的結構及分類[J].汽車實用技術，2021，46（16）：11-13.

[2]汪新偉，周自寶.輪轂電機驅動電動汽車的電制動特性研究[J].內燃機與配件，2021（01）：29-30.

[3]李博，李林芷.電動汽車車用電機技術研究[J].湖北農機化，2019（09）：83.

[4]尚樂，連晉毅，王俊峰，臧學辰，馬旭.純電動汽車輪轂電機直驅技術的研究綜述[J].汽車實用技術，2018（03）：7-11.

[5]鄭丹鳳.純電動汽車輪轂電機關鍵技術綜述[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（01）：82.

[6]楊軍，徐芙蓉，沈陳越，洪金濤.新能源電動汽車使用輪轂電機關鍵技術淺析[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（01）：85-86.