趙烜鋒

摘要：電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)具有傳動(dòng)效率高、控制靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，與其他電機(jī)相比，由輪轂電機(jī)所去驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)將成為新能源行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)性能將發(fā)揮出重要作用。本文針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、部件鐵芯制造技術(shù)、并行免疫PID控制技術(shù)、基于JMAG的電磁分析方案等做出詳細(xì)分析，探討了電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)未來(lái)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(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);輪轂電機(jī);發(fā)展現(xiàn)狀;關(guān)鍵技術(shù)

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0082-03

1 ?輪轂電機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

輪轂電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)的主要部件，輪轂電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，能夠發(fā)揮出電動(dòng)汽車(chē)的巨大功能和優(yōu)勢(shì)。輪轂電機(jī)的使用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上的離合器、變速器等機(jī)械零件的不足，能夠顯著增強(qiáng)機(jī)械運(yùn)行的效率和工作效率，使整車(chē)成本明顯降低。國(guó)外輪轂電機(jī)發(fā)展相對(duì)較早，輪轂電機(jī)主要是由美國(guó)人羅伯特在20世紀(jì)50年代發(fā)明的。輪轂電機(jī)的研究領(lǐng)域中所占位置最高的就是日本地區(qū)，豐田、本田等車(chē)型中已經(jīng)將先進(jìn)的輪轂電機(jī)應(yīng)用到其中。我國(guó)汽車(chē)行業(yè)，尤其是新能源電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展較晚，并且已經(jīng)將電動(dòng)汽車(chē)融入到“863”計(jì)劃，輪轂電機(jī)的研發(fā)和系統(tǒng)的應(yīng)用其基礎(chǔ)較為薄弱與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比有很大差距。[1]同時(shí)，美國(guó)、日本和歐洲等發(fā)達(dá)的國(guó)家，政府部門(mén)對(duì)于汽車(chē)排放尾氣要求越來(lái)越嚴(yán)格、鼓勵(lì)新技術(shù)的發(fā)展等，各大汽車(chē)公司都相繼投入了大量的人力和物力等，主要用于電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)，以推出更多新的產(chǎn)品。由此可見(jiàn)，研發(fā)經(jīng)費(fèi)或者優(yōu)惠政策的提出，在推動(dòng)電動(dòng)車(chē)行業(yè)發(fā)展方面具有重要作用。

輪轂電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要包括：如表1所示。

總體來(lái)看，集中式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相對(duì)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(fù)雜等不足。分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性高、空間利用率高。從傳動(dòng)效率上看，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)明顯優(yōu)于輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

我國(guó)輪轂電機(jī)發(fā)展道路還是比較漫長(zhǎng)，由于電機(jī)本體設(shè)計(jì)、電機(jī)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(chǔ)，產(chǎn)品也滿(mǎn)足了電動(dòng)汽車(chē)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(duì)較少。國(guó)內(nèi)輪轂電機(jī)發(fā)展并不成熟，還需與國(guó)際接軌，全面提升輪轂電機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)、技術(shù)應(yīng)用的水平。[2]

2 ?電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 電動(dòng)輪轂電機(jī)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖1可以得知，本文所設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)，其一側(cè)端面處于密封狀，殼體（1）上設(shè)置了安裝孔，主要與汽車(chē)輪輞相互搭配。殼體運(yùn)用緊固件將其安裝在汽車(chē)輪輞內(nèi)側(cè)端。另外一端殼體內(nèi)腔處于敞開(kāi)的狀態(tài)，并運(yùn)用硅鋼片和定子繞組進(jìn)行相互纏繞，斷面上也設(shè)有安裝孔，將緊固件安裝在車(chē)輪輞內(nèi)側(cè)中，殼體敞開(kāi)端通過(guò)形成內(nèi)腔，中間軸（4）和安裝套（5）在通過(guò)內(nèi)軸承（7）安裝到電機(jī)軸之上，外軸承（8）在安裝到殼體內(nèi)表面，定子安裝到定子座（6）。定子座和殼體內(nèi)腔之間形成了安置腔，腔內(nèi)有磁鋼（9）。殼體徑向圓周處有若干個(gè)瓦片狀磁鋼，磁鋼也與定子繞組保持相互對(duì)應(yīng)，定子在安裝到定子座的安裝套之上，兩套軸承連接轉(zhuǎn)子殼和定子座。其中軸承主要分為內(nèi)軸承和外軸承，內(nèi)軸承主要是汽車(chē)用輪轂軸承。[3]

2.2 ?實(shí)驗(yàn)

結(jié)合電機(jī)性能不穩(wěn)定問(wèn)題的解決，通過(guò)選擇和設(shè)計(jì)一種全新輪轂電機(jī)，能夠使輪轂電機(jī)更加安全可靠。本文主要采用油內(nèi)冷和改進(jìn)轉(zhuǎn)子鐵心機(jī)械機(jī)構(gòu)的方案，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究：

由外轉(zhuǎn)子的寬度和間隙所得到的值為固定值，主要是指外轉(zhuǎn)子的邊緣。本文利用二維周向磁場(chǎng)構(gòu)建分析模型，以對(duì)比之前的變化和之后的變化。其一，改進(jìn)之前磁鋼寬度為22mm，間隙為1.8mm;改進(jìn)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(jìn)后的氣隙磁場(chǎng)波形相對(duì)平滑，形狀也逐步向正弦波靠攏，能夠?qū)﹄姍C(jī)振動(dòng)和耗損等進(jìn)行控制，使電機(jī)更加穩(wěn)定。

本文在對(duì)改進(jìn)之后的電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定，即深入到不同轉(zhuǎn)矩效率開(kāi)展測(cè)試，通過(guò)改變加速大小逐步增大轉(zhuǎn)矩的大小。如果電機(jī)在一定的轉(zhuǎn)矩值下繼續(xù)運(yùn)行20秒，則通過(guò)測(cè)量，得出相應(yīng)功率，如：輸入功率、輸出功率，通過(guò)分析這兩個(gè)功率，以掌握系統(tǒng)的運(yùn)行效率。測(cè)定的時(shí)間范圍可以在400r/min、600r/min、800r/min、1000r/min時(shí)開(kāi)展性能的測(cè)試，如圖2所示。

如圖2我們可以了解到：測(cè)試電流特性（Iin-T）曲線。線性的關(guān)系為輸入電流、輸出轉(zhuǎn)矩等，通過(guò)這一線性關(guān)系我們了解到輪轂電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中其電流較為穩(wěn)定，能夠發(fā)揮出其效能。通過(guò)對(duì)比測(cè)試還能夠了解到：外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)在采用油內(nèi)冷卻方式后，能夠?qū)⑤嗇炿姍C(jī)的溫升有效控制實(shí)物不僅能夠?qū)㈦姍C(jī)高效運(yùn)行的區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)大，還能夠明顯增加電機(jī)的效率。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 部件鐵心制造技術(shù)

電機(jī)輪轂電機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、力能量密度大，電機(jī)電磁力產(chǎn)生的負(fù)載大。其損耗產(chǎn)生部件鐵心制造技術(shù)是提升功率密度的主要因素，選擇適合的輪轂電機(jī)鐵心制造技術(shù)，論述機(jī)械連接、焊接、粘接等技術(shù)。

電機(jī)鐵心損耗主要有磁滯損耗、渦流損耗兩個(gè)部分，磁滯損耗由硅鋼片材質(zhì)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(chǎng)交變頻率;d為硅鋼片的厚度;Bm為最大感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)用其中。裝配的方式有很多，如：扣片加固技術(shù)裝配有以下優(yōu)勢(shì)：設(shè)計(jì)合理;能夠避免高溫產(chǎn)生較大的損害;穩(wěn)定性強(qiáng);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(xiàn)分離的情況，且還會(huì)出現(xiàn)繞線的情況。鉚接過(guò)程中運(yùn)用較長(zhǎng)的鉚釘條末端位置，應(yīng)采用重的壓頭開(kāi)展有效壓裝;自鎖式工藝中下一板塊中所沖出的凹坑，應(yīng)運(yùn)用上一版塊上所凸起的板塊進(jìn)行填充;凹坑、沖頭設(shè)計(jì)相對(duì)合理，通過(guò)在壓應(yīng)力的作用之下，將片與片之間實(shí)現(xiàn)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(duì)疊片進(jìn)行連接，連接時(shí)應(yīng)該與整片進(jìn)行連接;整體焊接時(shí)還可以采用氬弧焊接，將已經(jīng)疊裝的定子進(jìn)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(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。新的膠層在出現(xiàn)之后，需及時(shí)更換膠層，根據(jù)對(duì)比以找出不同膠層對(duì)粘結(jié)應(yīng)力的影響。

2.3.2 并行免疫PID控制技術(shù)

電動(dòng)汽車(chē)一旦啟動(dòng)，需立即開(kāi)展電氣系統(tǒng)的有效檢測(cè)。在檢測(cè)之后，駕駛員才能進(jìn)入到電動(dòng)汽車(chē)之中進(jìn)行操作。駕駛員在沒(méi)有發(fā)出驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求之后，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，借助CAN網(wǎng)絡(luò)和傳感器等對(duì)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行情況開(kāi)展有效實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在檢測(cè)時(shí)，能夠?qū)︱?qū)動(dòng)踏板傳感器等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而使駕駛員準(zhǔn)確了解相應(yīng)的請(qǐng)求。當(dāng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令之后可以立即自動(dòng)，將能量回收。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，提示駕駛員，從而保障車(chē)輛的安全性。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EBS，是運(yùn)用電子控制取代傳統(tǒng)的機(jī)械對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而提升驅(qū)動(dòng)的功能。[4]

借助AIA算法，運(yùn)用Kp、Ki、Kd等抗體，性能指標(biāo)主要為目標(biāo)函數(shù)抗原。結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際情況，選用以十進(jìn)制編碼的方式形成參數(shù)空間與參數(shù)編碼空間，保障這兩個(gè)空間一一相互對(duì)應(yīng)，抗體v被選擇復(fù)制的概率為：

遺傳算法中使用精英維持策略，結(jié)合所預(yù)設(shè)的交叉概率主要選用兩個(gè)交叉抗體。[5]通過(guò)將控制器的性能指數(shù)作為抗原，作為優(yōu)化問(wèn)題的目的函數(shù)，能夠?qū)ID三個(gè)增益系數(shù)化作為抗體，以將其作為解決問(wèn)題的主要應(yīng)對(duì)措施。采用十進(jìn)的制編碼以得到抗體的編碼。采用基于抗體濃度的調(diào)節(jié)機(jī)制和多樣性維持戰(zhàn)略，以加大對(duì)抗體濃度的有效控制，使輪轂電機(jī)能夠保持最佳的運(yùn)行狀態(tài)，提升驅(qū)動(dòng)控制的質(zhì)量。本文對(duì)自行設(shè)計(jì)輪轂電機(jī)，其算法上更有優(yōu)勢(shì)。

2.3.3 基于JMAG電磁分析的方案

這一方案和技術(shù)應(yīng)用主要解決了電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)負(fù)載情況下所產(chǎn)生的鐵芯耗損問(wèn)題。該方案內(nèi)容為：

①輪轂電機(jī)鐵芯材料的鐵損原理。

鐵芯耗損也就是鐵損，可以分為2類(lèi)：第一，磁通密度B會(huì)受到時(shí)間上的影響而引起感應(yīng)渦流損耗，運(yùn)用We進(jìn)行表示;第二，磁通密度B受到充磁過(guò)程而出現(xiàn)磁滯損耗Wh。

渦流損耗的認(rèn)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(dāng)磁通波處于飽和區(qū)附近后，出現(xiàn)畸變的情況，磁通密度Bve也可以再次進(jìn)行計(jì)算。渦流損耗經(jīng)常使用經(jīng)典理論值K倍公式開(kāi)展計(jì)算。其中K也主要為物理常數(shù)。[6]

②仿真的分析。

本文主要選用JMAG-Express參數(shù)化組建的模型功能。電機(jī)繞線也主要應(yīng)用集中繞組的方法，進(jìn)行星型連接的方式，圈數(shù)為20圈。結(jié)合仿真的結(jié)果我們可以看出的：第一，利用2種鐵心材料，將不會(huì)使原材板厚產(chǎn)生任何的影響。厚度的一致性，將會(huì)導(dǎo)致硅鋼片排耗越來(lái)越低，出現(xiàn)的鐵損磁密范圍也會(huì)減少。第二，電機(jī)鐵芯材料不會(huì)發(fā)生任何的變化。將鐵芯原材料板厚進(jìn)行改變之后，主要運(yùn)用厚度為0.5mm的硅鋼片，當(dāng)材料相同時(shí)，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(chǎn)生的影響不同，尤其是在電機(jī)效率方面產(chǎn)生的影響有很大差異。例如：JN230這一原材在應(yīng)用后，其他厚度應(yīng)用也不會(huì)對(duì)電機(jī)高效區(qū)產(chǎn)生影響。而厚度較小，硅鋼片則會(huì)發(fā)生較大的變化，使電機(jī)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(guó)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)發(fā)展舉措

3.1 關(guān)鍵技術(shù)深入研究和創(chuàng)新

國(guó)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)論是在制造工藝方面還是技術(shù)創(chuàng)新方面都與國(guó)外驅(qū)動(dòng)電機(jī)有很大區(qū)別。如：國(guó)外針對(duì)于電機(jī)研發(fā)比較重視，其投入相對(duì)較大，尤其是國(guó)外針對(duì)于電機(jī)研發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。從調(diào)查中我們了解到，國(guó)外電機(jī)產(chǎn)品在可靠性上、故障率方面、振動(dòng)噪聲方面等都有很大的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)正處于學(xué)習(xí)、不斷超越和模仿的階段，制造工藝水平和產(chǎn)品性能、關(guān)鍵材料等都需有待改善。我國(guó)目前還需要進(jìn)口的產(chǎn)品有：軸承或者一些高精度的部件、硅鋼片等。

新能源汽車(chē)中最為關(guān)鍵的技術(shù)就是電機(jī)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)在構(gòu)造上有很大的區(qū)別，即電機(jī)取代了發(fā)動(dòng)機(jī)。其主要表現(xiàn)在：

①電動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力且擁有強(qiáng)大的功率，相對(duì)于燃油汽車(chē)，其在加速方面有很大優(yōu)勢(shì)。

②電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)具備強(qiáng)大的調(diào)速功能，即包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。這兩個(gè)功能決定著汽車(chē)的爬坡和起動(dòng)情況、平坦路面高速行使的情況。

③運(yùn)行效率較高，能夠提升1次充電的續(xù)駛里程。

目前，從相關(guān)的研究調(diào)研中了解到，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的各個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)揮著不同的作用和缺點(diǎn)，以下對(duì)此進(jìn)行分析：如表4所示。

結(jié)合不同電機(jī)，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)在傳統(tǒng)工業(yè)電機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造，以為新能源汽車(chē)電機(jī)提供給整車(chē)廠。通過(guò)加大新產(chǎn)品研發(fā)資金的投入、重視人才培養(yǎng)、實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享等，以研發(fā)出更多創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 電機(jī)生產(chǎn)商應(yīng)與電機(jī)企業(yè)之間加大聯(lián)系

新能源汽車(chē)在性能方面、路面行駛方面想要具備較大的競(jìng)爭(zhēng)能力，電機(jī)廠如果一直采用的傳統(tǒng)的工業(yè)電機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將難以凸顯自身的優(yōu)勢(shì)。電機(jī)生產(chǎn)商應(yīng)加大與電機(jī)企業(yè)之間的聯(lián)系，在生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)上稍稍做出改進(jìn)，以延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，避免之前出現(xiàn)局部過(guò)熱、線路短路等情況。既然我國(guó)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到電動(dòng)汽車(chē)在今后的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)嚴(yán)格從電機(jī)研發(fā)、電機(jī)試驗(yàn)、電機(jī)投產(chǎn)、材料等方面加強(qiáng)嚴(yán)格的把控。電機(jī)企業(yè)在與相應(yīng)的供應(yīng)商開(kāi)展交流和合作時(shí)，需結(jié)合自身的發(fā)展現(xiàn)狀和制定的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)共贏，生產(chǎn)出壽命更長(zhǎng)、質(zhì)量更好的電機(jī)，供應(yīng)商和電機(jī)企業(yè)不能以眼前的“蠅頭小利”為主，需對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行共同解決，以為雙方帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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