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轮毂电机

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  • 发布时间:2016/3/19 20:43:19
  • 作者:ly_yinhe
定义
轮毂电机技术又称车轮内装电机技术,它将动力、传动系统和制动装置都整合到轮毂内。说白了,最主要的就是把轮子里面装上“发动机”,只不过这个发动机是电力驱动的,而且是独立的。
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轮毂电机简介

典型内转子结构的轮毂电机驱动系统结构示意图

图示:典型内转子结构的轮毂电机驱动系统结构示意图

  轮毂电机技术又称车轮内装电机技术,它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内,因此将电动车辆的机械部分大大简化。轮毂电机技术并非新生事物,早在1900年,就已经制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车,在20世纪70年代,这一技术在矿山运输车等领域得到应用。而对于乘用车所用的轮毂电机,日系厂商对于此项技术研发开展较早,目前处于领先地位,包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。

  轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式:内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外转子电机,电机的最高转速在1000-1500r/min,无减速装置,车轮的转速与电机相同;而内转子式则采用高速内转子电机,配备固定传动比的减速器,为获得较高的功率密度,电机的转速可高达10000r/min。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现,内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。

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轮毂电机分类

01按电机类型分类

  目前应用于电动轮毂电机主要有四大类,即永磁电机(PM)、异步电机(IM)、开关磁阻电机(SRM)和横向磁通电机(TFM)。这其中,永磁电机的应用最为普遍,而横向磁通电机则是一类极具竞争力的低速大扭矩新型电机。

  1、 异步电机

  异步电机在4类电机中发展历史最为长久。电机的设计、制造以及控制都相对成熟,具有结构简单、制造容易、成本低、可靠性高、控制技术成熟等优点,受到欧美国家的青睐。但是异步电机缺点是效率不高,特别是在低速时,功率密度较小。异步电机是一个强耦合、多变量、非线性的系统,需采用矢量控制和直接转矩等控制手段,控制成本较高。

  2、 永磁无刷电动机

  永磁无刷电动机可分为由方波驱动和由正弦波两种。与其他电机相比,永磁无刷电机具有功率密度高、效率高、体积小、结构简单、输出转矩大、可控性好、可靠性高、噪声低等一系列优点,在电动车领域颇受青睐。日本绝大多数电动汽车采用永磁无刷电机驱动系统。当然,永磁无刷电动机也存在一些缺点。首先是受到永磁材料的限制,目前最大功率也只有几十个千瓦。其次,永磁转子的励磁无法调节,导致电机调速困难,调速范围不宽。

  3、 开关磁阻电动机

  开关磁阻电机是近20年才发展起来的一种新型调速电机,具有简单可靠、可在较宽转速和转速范围内高效运行、四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。但是其缺点也很多:转矩存在较大波动、振动大、噪声大;系统非线性,建模困难,控制成本高,功率密度低,等等。

  4、 横向磁场电机

  横向磁场电机最早是由德国著名电机专家H.Weh于上个世纪80年代末提出,并将之使用到电力舰船和电动汽车上。与其他电机相比,横向磁场电机的有点十分突出:电路和磁路解耦,设计自由度大大提高;高转矩密度,大约是标准工业用异步电机的5~10倍,且特别适合应用于要求低速、大转矩等场合;绕组型式简单,不存在传统电机的端部,绕组利用率高;各相间相互独立;效率高;控制电路与永磁无刷电动机相同,可控性好。目前国外已成功开发了许多电动汽车用横向磁场电机,国内也正在积极开展先关研究。当然横向磁场电机也存在不少缺点:永磁体数目多,用量大,结构复杂,工艺要求高,成本高,漏磁严重,功率因数低,自定位转矩较大,等等。

各类电机性能对比

图示:各类电机性能对比

  标注:摘录自《国内外轮毂电机应用概况和发展趋势》——诸文强、辜承林

02按结构形式分类

  从主磁通行经路径看,它囊括了径向磁场(radial)、轴向磁场(axial)、横向磁通(transverse)全部三种基本形式。从运动方式看,亦有内转子、外转子和双转子之分。其中,双转子结构最有新意。内转子主动,外转子从动,二者通过一组行星齿轮传递动力,实现反向旋转,使磁场切割导体的速度为内、外转子速度之和。显然,这种速度迭加以及机械联动的巧妙组合,既给电机设计带来了张驰空间,又起到了缓释负载扰动、平抑冲击负荷、有效保护电池的作用。

03按驱动方式分类

  直接驱动时,电机多采用外转子结构,即转子直接带动轮毂旋转,因而转速较低。与此相对应,间接驱动时,电机则多为内转子结构,转速较高,通过行星轮加齿环机构实现减速,带动轮毂旋转,因而也称之为减速驱动。

04按旋转速度分类

  轮毂电机还有高速和低速之分,但对应的转速范围并没有明确的界定,视应用对象不同而不同。通常,仅当驱动方式确定之后,高、低速范围的界定才具有相对准确的含义,即直接驱动一般对应于低速电机(体积大,耗材多,功率密度小,噪声低),而间接驱动则多对应于高速电机(体积小,耗材少,功率密度大,噪声高)。

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轮毂电机的优缺点

01轮毂电机应用优势

  (一) 省略大量传动部件,让车辆结构更简单

  对于传统车辆来说,离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器都是必不可少的,而这些部件不但重量不轻、让车辆的结构更为复杂,同时也存在需要定期维护和故障率的问题。但是轮毂电机就很好地解决了这个问题。除开结构更为简单之外,采用轮毂电机驱动的车辆可以获得更好的空间利用率,同时传动效率也要高出不少。

  (二) 可实现多种复杂的驱动方式

  由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性,因此无论是前驱、后驱还是四驱形式,它都可以比较轻松地实现,全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向,大大减小车辆的转弯半径,在特殊情况下几乎可以实现原地转向(不过此时对车辆转向机构和轮胎的磨损较大),对于特种车辆很有价值。

  (三) 便于采用多种新能源车技术

电动汽车驱动系统图例

图示:电动汽车驱动系统图例

  新能源车型不少都采用电驱动,因此轮毂电机驱动也就派上了大用场。无论是纯电动还是燃料电池电动车,抑或是增程电动车,都可以用轮毂电机作为主要驱动力;即便是对于混合动力车型,也可以采用轮毂电机作为起步或者急加速时的助力,可谓是一机多用。同时,新能源车的很多技术,比如制动能量回收(即再生制动)也可以很轻松地在轮毂电机驱动车型上得以实现。

02轮毂电机应用缺点

  (一) 、 增大簧下质量和轮毂的转动惯量,对车辆的操控有所影响

  对于普通民用车辆来说,常常用一些相对轻质的材料比如铝合金来制作悬挂的部件,以减轻簧下质量,提升悬挂的响应速度。可是轮毂电机恰好较大幅度地增大了簧下质量,同时也增加了轮毂的转动惯量,这对于车辆的操控性能是不利的。不过考虑到电动车型大多限于代步而非追求动力性能,这一点尚不是最大缺陷。

  (二) 、 电制动性能有限,维持制动系统运行需要消耗不少电能

  现在的传统动力商用车已经有不少装备了利用涡流制动原理(也即电阻制动)的辅助减速设备,比如很多卡车所用的电动缓速器。而由于能源的关系,电动车采用电制动也是首选,不过对于轮毂电机驱动的车辆,由于轮毂电机系统的电制动容量较小,不能满足整车制动性能的要求,都需要附加机械制动系统,但是对于普通电动乘用车,没有了传统内燃机带动的真空泵,就需要电动真空泵来提供刹车助力,但也就意味了有着更大的能量消耗,即便是再生制动能回收一些能量,如果要确保制动系统的效能,制动系统消耗的能量也是影响电动车续航里程的重要因素之一。

  此外,轮毂电机工作的环境恶劣,面临水、灰尘等多方面影响,在密封方面也有较高要求,同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热问题。


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