新能源電動汽車用輪轂電機技術探討

徐 齊

（棗莊科技職業學院，山東滕州 277500）

0 引言

隨著天然氣、石油等能源資源的消耗量逐年增大，其對于大氣環境所造成的影響越來越顯著，促使社會發展受到限制。在這種背景下，新能源電動汽車能夠有效實現無污染、低噪聲的要求，電動汽車在社會中獲得廣泛的認可，促使學術界開始將研究重點逐漸轉移至電動汽車領域。結合電動汽車的驅動方式進行分析，輪轂電機驅動方式在實踐過程中使用的頻率相對較高，這是因為這種驅動方式具備較強的靈活性、動力傳輸效率比較高等優勢。

1 電動汽車驅動方式比較

1.1 傳統內燃機汽車驅動模式

傳統型的汽車采用內燃機功能的方式，這種驅動方式是借助內燃機所產生的動力驅動汽車行駛。內燃機驅動模式的發動機體積龐大、結構復雜，發動機在運行時會發出較大的噪聲且發動機比較重，后期的檢修難度比較大，最重要的是內燃機需要使用石油作為燃料進行驅動，缺乏環保性。

1.2 新能源電動汽車驅動模式

新能源電動汽車的驅動方式大致可分為以下3 種：①集中電機驅動方式；②輪轂驅動方式；③輪邊驅動方式。下面對這3種驅動方式逐一進行介紹：

（1）集中電機驅動方式。相對于其他兩種驅動方式，集中電機驅動與傳統汽車的驅動方式差異性并不是很大，僅是將傳統汽車結構中的發動機變為電機。驅動形式的變化幅度不大，在技術實現方面的難度也不大，但是這種方式所暴露出來的問題是供能效率非常低，會消耗大量的電力資源。

（2）輪邊驅動方式。這種驅動方式是電動汽車首選的一種方式，通過將電機與減速器之間進行連接，技術實現方面的難度不大，這種驅動方式的優點在于能夠有效的簡化自身的傳動結構、減輕汽車的自重、提高電機的工作效率。

（3）輪轂電機驅動方式。這種驅動方式是將多個不同的子系統均裝置在汽車的輪轂結構內，這樣可以有效簡化系統結構，強化汽車的傳動效率。

2 輪毅電機驅動方式及特點

集中電機驅動是將傳統汽車的內燃機改變成電機，汽車其他部分的結構并未發生變化，無法有效的展現出電動汽車的優勢，且這種驅動方式的耗能比較大。

輪邊電機的結構簡單，后期檢修的優勢顯著，且目前此方面的技術已經發展成熟，應該會成為電動汽車行業未來的發展核心。

輪轂電機的結構精簡，能夠有效展現出輕量化特點，可以有效提升汽車的控制響應速度。其中，輪轂電機又可以細分為直接驅動方式與減速驅動方式（圖1）。減速驅動電機的比功率與效率都非常高，但是因為電機自身的體積不是很大，所以能夠有效保障電機穩定的輸出功率。這種方式的不足體現在：電機高速運行的狀態下會導致齒輪磨損進一步加劇，促使電機的使用周期減少；電機的散熱難度比較大、噪聲比較大。而直接驅動電機由于未設置中間環節，所以系統的響應速度非常快，能夠有效提高系統的工作效率，但是這種電機的成本相對較高，且在過載的情況下汽車的性能會受到很大的影響。減速式和直驅式輪轂異同見表1，減速驅動電動輪結構如圖2 所示。

圖2 減速驅動電動輪結構

表1 減速式和直驅式輪轂異同

圖1 減速驅動和直接驅動輪轂電機構造

由于輪轂電機自身的功能及部位較為特殊，所以輪轂電機應該展現出4 個特點：①當轉矩穩定的情況下，電機的轉矩比較高，而轉速卻非常低；②在功率穩定的情況下，電機的轉矩比較低，而轉速卻非常高；③電機的自重比較輕，但是工作效率非常高；④可以實現能量回收以及強制制動功能。

3 不同種類輪轂電機的技術

為了保障電動汽車的性能達到實際工作的要求，必須要保證驅動電機具備以下要求：當轉矩穩定的情況下，電機的轉矩比較高，而轉速卻非常低；在功率穩定的情況下，電機的轉矩比較低，而轉速卻非常高；電機的自重比較輕，但是工作效率非常高；可以實現能量回收以及強制制動功能。比較合適的輪轂電機有異步電機、開關磁阻電機、直流電機等。每一種電機的技術特點都存在一定的差異性，下面對這些電機進行介紹。

3.1 直流電機

這種類型的電機操作性不難，技術層面的發展比較成熟。往往都是借助電樞控制、弱磁實現對變速箱的控制。考慮到汽車的性能要求，一般在恒定轉矩區都是采用比較大的轉矩；而在恒定功率區則是采用較大的轉速。但是汽車是借助機械實現轉向的，所以可能會導致電刷的磨損比較嚴重，后期維護保養的頻率比較高。同時，這種類型的電機體積比較大，生產成本比較高。目前直流電機在市場中的使用頻率不高。

3.2 異步電機

這種類型的電機結構簡單，整個電機比較經濟且耐用，轉矩偏小，電機運行過程中所造成的噪聲比較低，不需要額外設置傳感器。異步電機的缺陷主要是表現為：生產成本比較高、驅動電路比較復雜等。由于這種電機的工作效率比較低，所以異步電機也不適用于電動汽車中。

3.3 永磁無刷直流電機

這種類型的電機使用電子轉換器，這種轉換器有效替代轉向器的作用，這種組件可以促使電機進行旋轉，完成對電機性能的調整，且在實際運行的過程中比較穩定，后期維護的難度不大，不會造成額外的能量消耗，工作效率非常高。所以這種電機能適用在輪轂電機中。

3.4 永磁同步電機

這種類型的電機與永磁無刷直流電機在結構方面基本上相同，主要的區別是這種電機是采用正弦波進行驅動。假若按照永磁體裝置的方式進行區分，可以將其分為內置式與表面式。表面式的電機一般都是配備低轉速的電機，而內置式的電機則是配備高轉速的電機。相對于其他類型的電機，永磁同步電機的噪聲非常小，轉動慣量也不是很大，能有效實現高精準度控制，成為輪轂電機的選擇之一。

3.5 開關磁阻電機

開關磁阻電機在未來的發展過程中必然會成為輪轂電機中的重點。這種電機結構中的轉子與定子全部是采用凸極結構，但是定子與轉子的組合極數存在差異，一般有兩種表現形式：①定子6 極，轉子4 極；②定子8 極，轉子6 極。這種電機的轉子上不但不會設置繞組，且還不會設置永磁體，但是會在定子上安裝繞組。開關磁阻電機的工作效率相對而言非常高，且功率密度也明顯比其他電機大，加之開關磁阻電機的結構非常簡單、調速范圍非常寬泛，促使其在輪轂電機中的競爭性比較強。

3.6 橫向磁通電機

相對于其他電機而言，這種電機的優勢更為顯著，其主要是突顯出以下3 個方面的優勢：①能夠有效的實現電路與磁路之間的解耦，且設計方面的自由性也得到的提升；②雖然工作效率與轉矩都比較高，但是僅是適合低轉速環境下；③電機的繞組結構相對而言比較簡單，與傳統型的電機繞組存在顯著差異。

4 輪轂電機未來發展

輪轂電機的優化方向主要有以下3 個：①應該提升調速范圍與轉矩的波動范圍，有效滿足不同施工情況的需求；②提升工作效益與能源利用率，有效降低電機的自身重量；③可以有效解決電機再加速冷卻、密封以及抗振等多方面表現出來的問題，促使電機的可靠性得到有效提升。隨著科學技術不斷的發展，電池、控制系統都獲得良好的發展，輪轂技術必然在未來獲得更大的發展。

5 結語

輪轂電機的結構相對比較的復雜，與傳統性汽車的驅動系統存在顯著的差異，這對于汽車的布置有顯著的影響。輪轂電機的出現能夠有效的促使電動汽車的動力分配更為靈活，在很大程度上改善汽車的整體性能。但是結合實際情況來看，目前輪轂電機技術在電動汽車方面的應用仍然存在諸多的不足之處尚待解決。學術界應該積極的面對這一問題，提出科學合理的應對方案，以推動電動汽車獲得更大的發展。