論輪轂電機優缺點及發展

文：張秋、徐春保

一、概述

1．輪轂電機技術

輪轂電機技術又稱車輪內裝電機技術，是純電動汽車的一種先進的驅動方式（圖1）。早在20世紀50年代初，美國人羅伯特就發明了將電動機、傳動系統和制動系統融為一體的輪轂裝置，這就是最早的輪轂電機技術。1968年該技術被通用電氣公司應用于大型礦用自卸車上。

（1）輪轂電機技術特點

近年來純電動汽車的快速發展，更是將輪轂電機技術提升到了一個新高度。輪轂電機驅動系統可以靈活地布置于各類電動車輛的前輪、后輪，甚至所有車輪中，直接驅動輪轂旋轉。與內燃機、單電機等傳統集中驅動方式相比，其在動力配置、傳動結構、操控性能以及能源利用等方面的技術優勢和特點極為明顯，主要表現為以下幾點。

圖1 輪轂電機

①動力控制由硬連接改為軟連接，能通過電子控制器實現各輪轂從零到最大速度之間的無級變速和輪轂間的差速要求。

②整車布局和車身造型設計的自由大大增加。采用輪轂電機技術后，可以將底架的承載功能與傳動功能分離，橋架結構大為簡化，更容易實現相同底盤不同車身造型的產品多樣和系列化，縮短新車開發周期，降低開發成本。

③各輪轂扭矩獨立可控，響應快捷，正反轉靈活，瞬間動力性能更為優越，顯著提高了適應惡劣路面條件的行駛能力。

④容易實現輪轂的電氣制動、機電復合制動和制動過程中的能量反饋，還能對整車能源實現高效利用并實施最優化控制與管理，有效節約能源。

⑤由輪轂電機驅動的電動汽車，若進一步導入四輪轉向技術（4WS），不但能減小轉向半徑，還可能實現零半徑轉向。

（2）永磁同步電機

目前，電動汽車使用的電動機主要是永磁同步電機。而在輪轂電機發展歷程中，永磁同步電機絕對占據主流地位。

由永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的同步電機，就被稱為永磁同步電機。永磁同步電動機之所以能成為主流產品，其優勢就在于結構簡單、體積較小。和直流電機及異步電機相比，永磁同步電機損耗最低，它沒有直流電機的換向器和電刷，也不需要無功勵磁電流，這在一定程度上彌補了技術缺陷。其次，永磁同步電動機和普通電動機相比，它省去了勵磁裝置，結構更為簡單，效率也更高。

不過它的缺點也不容忽視，那就是它具有制造成本高、起動困難等缺陷。在科學技術迅猛發展的今天，永磁同步電機矢量控制系統已經可以實現高精度、大范圍的動態性能調速或定位控制。毫無疑問，永磁同步電機矢量控制系統已經成為各企業和許多學者研究的主要對象。

2．輪轂電機結構

輪轂電機的結構如圖2所示。電機的轉子和輪轂合為一體，輪胎就固定在轉子上。當電機工作時，轉子在電磁激勵下轉動，從而帶動輪胎轉動。輪轂電機可以回收能量，還可以與現有車輛上的傳統動力系統配合，改裝為混合動力汽車，使車輛燃油消耗降低多達30%。

二、輪轂電機優點

1．傳動結構簡單

采用輪轂電機后，可以省去離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器，車輛結構更加簡單，減輕了質量，而且還可以獲得更好的空間利用率，同時傳動效率也要高出不少。

2．靈活的驅動方式

由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅動的特性，因此無論是前驅、后驅還是四驅形式，它都可以比較輕松地實現，全時四驅在輪轂電機驅動的車輛上實現起來非常容易。同時，輪轂電機可以通過左右車輪的不同轉速甚至反轉，實現類似履帶式車輛的差動轉向，大大減小車輛的轉彎半徑。在特殊情況下幾乎可以實現原地轉向（不過此時對車輛轉向機構和輪胎的磨損較大），對于特種車輛很有價值。

常見的驅動方式分為減速驅動和直接驅動兩大類。

（1）減速驅動

使用減速驅動方式下，電機通常在高速下運行，且對電機的其他性能沒有特殊的要求，所以可以選用普通的內轉子電機。減速機構放置在電機和車輪之間，起到減速和增扭的作用。

其優點是電機在高轉速下，具有較高的比功率和效率，體積小、質量輕，通過齒輪增大扭矩、爬坡性能好。缺點是難以實現液態潤滑、齒輪磨損較快、使用壽命短、不易散熱以及工作噪聲偏大等。一般適用于丘陵或山區、要求過載能力較大的場合。

（2）直接驅動

直接驅動方式下，電機多采用外轉子，即直接將轉子安裝在輪輞上。為了使汽車能順利起步，要求電機在低速時能提供大轉矩。同時為了使汽車有較好的動力性，電機需具有較寬的調速范圍。

直接驅動方式的優點是沒有減速機構，使得整個驅動輪結構更加簡單、緊湊，軸向尺寸也減小，使效率進一步提高，響應速度也更快。缺點是起步或爬坡等承載大扭矩時需大電流，容易損壞電池和永磁體；電機效率峰值區域很小，負載電流超過一定值后效率急劇下降。因此該驅動方式適用于平坦路面、負載較輕等場合。

3．多種動能匹配

新能源車型不少都采用電驅動，因此輪轂電機驅動也就派上了大用場。無論是純電動汽車還是燃料電池電動汽車，或是增程式混動汽車，都可以用輪轂電機作為主要驅動力。即便是對于普通混合動力車型，也可以采用輪轂電機作為起步或者急加速時的助力。同時，新能源車的很多技術，比如制動能量回收（即再生制動）也可以很輕松地在輪轂電機驅動車型上得以實現。

4．能量消耗低

輪轂電機的采用大幅度降低了動力傳輸過程中能量損失。由于減少了傳動系統，減輕了質量，能耗相對就會減少。因此可以提高載重量，續航能力增強。

5．節約材料

由于省略了傳動系統，就節省了大量的資源，尤其一些貴重金屬，也同時節省了大量的加工時間。在資源和時間上的節省，相對而言就提升了生產效率。

圖2 輪轂電機結構

6．維護簡單

輪轂電機的使用，減去了變速系統和傳動系統，減少了油液的使用，后續維護費用低，維護簡單。最適合城市里的低速中短途交通工具。

三、輪轂電機缺點

1．操控性

輪轂電機要安裝在輪輞內，這使得車輛的非簧載質量增加，不利于操控。

2．制動性

對于電動汽車，由于能源的關系，多采用電制動，電渦流制動容量不高，不易滿足整車制動性。

四、發展前景

隨著新能源汽車驅動技術的發展升級，輪轂電機技術逐漸進入人們的視野。輪轂電機技術被看作是新能源汽車未來最佳的驅動解決方案。近年來，新能源汽車發展步伐加快，輪轂電機技術要迎來大展拳腳的好時機。

目前輪轂電機還有很多問題沒有解決，尚不能形成市場。但是隨著純電動汽車的保有量繼續增加，輪轂電機驅動技術的普遍應用已經指日可待。目前國內輪轂電機制造商以及新能源汽車企業對輪轂電機市場充滿信心，正在加緊產業化布局及市場推廣。

輪轂電機技術具備很大的優勢，它布局更為靈活，不需要復雜的機械傳動系統。但同時它也有自己的顯著不足，比如密封和起步電流/扭矩間的平衡關系，以及轉向時驅動輪的差速問題等等。輪轂電機驅動系統是純電動汽車未來的先進驅動方式，高品質輪轂電機及其驅動控制系統目前已經成為國內外電氣工程領域的重要研究對象。而在我國，輪轂電機驅動技術將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景。