查建東

摘 要：在新能源汽車的電動驅(qū)動系統(tǒng)中，運(yùn)用了輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，這一技術(shù)應(yīng)用對其起到了重要的推動作用。該文對輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要的分析與闡述，進(jìn)而對輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望與預(yù)測。

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)；永磁同步電機(jī)；驅(qū)動系統(tǒng)

中圖分類號：TM384 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析

在20世紀(jì)50年代初期，在美國進(jìn)行了一項(xiàng)創(chuàng)造性的實(shí)踐探索與研究，不僅將車輪輪轂內(nèi)置入了驅(qū)動電機(jī)和傳動裝置，而且還將制動系統(tǒng)也裝入其中，這就是現(xiàn)如今我們所見到的輪轂電機(jī)最初造型結(jié)構(gòu)，后來經(jīng)過不斷改進(jìn)，20世紀(jì)60年代末，這種輪轂電機(jī)被首次用在了大型礦用自卸車上，使其初次具有了實(shí)用性應(yīng)用效果。而在之后的幾十年當(dāng)中，輪轂電機(jī)始終被應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域，而其首次被應(yīng)用于電動自行車上，則是在我國制造并實(shí)現(xiàn)的，這就是在1990年，最先由清華大學(xué)研制開發(fā)的半軸結(jié)構(gòu)式高速有刷輪轂電機(jī)，與此同時(shí)，還將這種輪轂電機(jī)應(yīng)用到了電動自行車上，以此來為電動自行車提供了完整的驅(qū)動系統(tǒng)。在此之后，還有無數(shù)的專家學(xué)者也對該項(xiàng)技術(shù)展開了更深層次的探究。尤其在進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，在輪轂電機(jī)為電動自行車提供驅(qū)動技術(shù)之時(shí)，其結(jié)構(gòu)主要是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而隨著技術(shù)的不斷更新與成熟應(yīng)用，逐漸有了外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的輪轂電機(jī)，而且這一技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前的主流應(yīng)用技術(shù)。這種輪轂電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)，就是結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，而且具有較為寬泛的調(diào)速范圍，同時(shí)還沒有過多的噪聲產(chǎn)生，運(yùn)行效率也極高。但它也存在一定的缺陷，那就是轉(zhuǎn)速較低，且過載能力較差，同時(shí)針對電磁設(shè)計(jì)也具有相當(dāng)高的標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著我國的電動自行車越來越多地使用直流有刷輪轂電機(jī)，而越來越少地使用交流異步輪轂電機(jī)，直至2000年以后，人們研發(fā)出了直流無刷輪轂電機(jī)，進(jìn)而在2004年，隨著相關(guān)技術(shù)取得重大突破，直流無刷低速輪轂電機(jī)成了主流。逐步發(fā)展到近些年，在永磁材料和控制技術(shù)都取得了巨大進(jìn)步的同時(shí)，永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等類型的輪轂電機(jī)問世。綜合上述分析可知，無論是車身結(jié)構(gòu)的不斷改良，還是控制器和蓄電池技術(shù)的不斷發(fā)展，都使電動自行車行業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展獲得了強(qiáng)大推動力，而輪轂電機(jī)技術(shù)作為以上技術(shù)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是最關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)，也不斷擴(kuò)大發(fā)展?，F(xiàn)階段，輪轂電機(jī)的主要形式仍以直流有刷以及直流無刷為主，這2種電機(jī)結(jié)構(gòu)不僅復(fù)雜，而且穩(wěn)定性并不高，同時(shí)運(yùn)行效率也無法令人滿意，使車輛的性能無法得到顯著提升；雖然永磁同步電機(jī)以及開關(guān)磁阻電機(jī)的各項(xiàng)性能都比較好，但因其在電動自行車領(lǐng)域的應(yīng)用仍處在一個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，還有很多問題需要繼續(xù)改進(jìn)。綜合上述內(nèi)容，對輪轂電機(jī)研究的關(guān)鍵點(diǎn)總結(jié)如下：1）輪轂電機(jī)本體設(shè)計(jì)；2）電磁方案設(shè)計(jì)；3）過載能力；4）永磁材料；5）電機(jī)效率。

2 輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1 輕量化

輪轂驅(qū)動式電動汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成為輪轂電機(jī)和制動機(jī)以及輪轂和傳動等，通過尺寸優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及采用新型材料等方式達(dá)到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輕量化。輪轂電機(jī)則是借助功率密度的提高以及對電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)輕量化。

2.2 一體化

基于能夠讓輪轂電機(jī)更好地應(yīng)用于電動汽車，不僅需要對電動汽車底盤加以適當(dāng)改造，而且還要對整個(gè)車的車懸架結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改良，由此進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)和懸架的集成，并將簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量調(diào)整到適當(dāng)比例，制造出與輪轂電機(jī)適配的汽車底盤。研究如何使車輪和輪轂電機(jī)以及相關(guān)關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)一體化，將是未來技術(shù)研究的重點(diǎn)。

2.3 輪轂電機(jī)冷卻技術(shù)

電動汽車需要在不同的工況下工作，而輪轂電機(jī)在車輪當(dāng)中很容易因得不到充分的冷卻而造成電機(jī)熱量過高。在制動過程中制動器產(chǎn)生的大部分熱量會傳遞至電機(jī)，造成電機(jī)溫度升高，超過140℃永磁材料就會出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，導(dǎo)致整車性能降低。因此，當(dāng)前需要完善輪轂電機(jī)冷卻系統(tǒng)，以避免退磁現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 永磁材料退磁抑制技術(shù)

未來的輪轂電機(jī)將會以永磁輪轂電機(jī)為主導(dǎo)，這是因?yàn)槠淠芰棵芏容^大。溫度過高不僅會引起退磁現(xiàn)象，在高強(qiáng)度的運(yùn)作過程中也會出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，這是永磁材料的特性而引起的。因此，研發(fā)出耐沖擊能力強(qiáng)且耐振動能力強(qiáng)的永磁材料將會是未來的一大重要研究課題。

2.5 轉(zhuǎn)矩脈動抑制技術(shù)

由于輪轂電機(jī)在電磁和溫度以及應(yīng)力等共同作用下，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動問題的產(chǎn)生，不僅需要及時(shí)地修正電機(jī)參數(shù)，而且還應(yīng)將電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動盡可能地調(diào)至最低，同時(shí)全面提升電機(jī)性能。輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)在汽車領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用，因此，全面提高輪轂電機(jī)在不同工況下的性能將是未來的發(fā)展趨勢。

2.6 電子差速控制技術(shù)

輪轂電機(jī)驅(qū)動式電動汽車較比傳統(tǒng)的汽車少了機(jī)械傳動的部分，因此在車輛行駛過程中，一旦超出了限定車速就會失去穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，我國在電子差速控制技術(shù)方面的研究還處在初始階段，未來必須攻克這項(xiàng)技術(shù)的難關(guān)，使其能夠超越傳統(tǒng)機(jī)械差速器。

2.7 無傳感器控制技術(shù)

利用機(jī)械傳感器也能夠獲取準(zhǔn)確的輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子的相關(guān)數(shù)據(jù)，然而這也使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量有了一定增加。同時(shí)，在條件惡劣的工況下工作時(shí)，還會使傳感器的靈敏度變差，而且安裝出現(xiàn)問題會造成換相誤差，不僅如此，還會使系統(tǒng)的成本變得更高，給維修工作也會造成很大的難度。因此，隨著無傳感控制技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)在未來將會得到廣泛應(yīng)用。

2.8 協(xié)調(diào)控制技術(shù)

在汽車上，輪轂電機(jī)是在車身兩側(cè)對稱安裝的，這就需要兩側(cè)電機(jī)保持性能的一致，并且多個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能實(shí)現(xiàn)同步協(xié)調(diào)控制，以保證車輛在行駛過程中的安全和穩(wěn)定。不僅如此，在行駛過程中，輪轂電機(jī)的振動加速度比較大，所以，為了盡可能地使其使用壽命達(dá)到最高限值，需要提高其耐用性。

2.9 智能化

現(xiàn)階段，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)得到了很好的發(fā)展，這也將進(jìn)一步帶動新能源汽車對環(huán)境感知能力的智能化應(yīng)用，而且還會促進(jìn)控制算法的持續(xù)優(yōu)化與完善。尤其在未來發(fā)展進(jìn)程中，輪轂直驅(qū)式電動汽車還會逐步趨向于網(wǎng)聯(lián)化與智能化發(fā)展，甚至?xí)M(jìn)入無人化發(fā)展階段。輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)也將得到廣泛應(yīng)用。

2.10 低成本化

輪轂電機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用，使人們對傳統(tǒng)的汽車動力系統(tǒng)產(chǎn)生了顛覆性的認(rèn)知，這是一種完全新型的驅(qū)動方式。經(jīng)研究分析，輪轂電機(jī)使人們對驅(qū)動技術(shù)的未來發(fā)展產(chǎn)生了極大的希望，然而成本過高的問題目前還沒有得到有效的解決，這使輪轂驅(qū)動技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用難以得到實(shí)現(xiàn)。所以，如果能解決輪轂驅(qū)動技術(shù)的成本過高的問題，這項(xiàng)技術(shù)的市場應(yīng)用前景將極為可觀。

3 結(jié)語

輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，標(biāo)志著新能源汽車在驅(qū)動系統(tǒng)方面的重要發(fā)展方向，能夠?yàn)榧冸妱悠嚠a(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)巨大的價(jià)值。然而這項(xiàng)技術(shù)還有一些關(guān)鍵性的問題未得到解決，而且我國在這項(xiàng)技術(shù)上的發(fā)展仍然很落后。在未來，想要實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，就必須針對技術(shù)難題逐一攻克，這樣才能迎來廣闊的市場應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]何仁，張瑞軍.輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29（7）：10-18.

[2]劉玉龍.輪轂電機(jī)驅(qū)動汽車制動能量復(fù)合回收裝置研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2014.

[3]陽貴兵，馬曉軍，廖自力，等.輪轂電機(jī)驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向直接橫擺力矩控制[J].兵工學(xué)報(bào)，2016，37（2）：211-218.

[4]王慧波.淺談輪轂電機(jī)驅(qū)動方案在電動汽車上的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（25）：48.