图解轮毂电机技术

2018/5/7 14:37:22 来源： 作者

　　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，保时捷就首先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。目前国内也有自主品牌汽车厂商开始研发此项技术，在2011年上海车展展出的瑞麒X1增程电动车就采用了轮毂电机技术。

　　本文通过简单易懂的图解方式来进一步阐述轮毂电机技术。

　　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。

　　一、轮毂电机的种类

　　有刷电机和无刷电机，由于效率太低，车用有刷电机被逐步淘汰。

　　有传感器和无传感器，有的电动自行车必须踩一下才能行驶，因为里面没有传感器。它直接测量电机反电动势而知道转子的位置，进行换相。启动前想知道转子和定子的相对位置必须使用传感器。

　　有齿轮和无齿轮，为了防止磁钢退磁而减小启动电流的电机必须使用减速齿轮来提高启动效率。磁钢材料改进后，就不一定要齿轮。

　　有离合机构和无离合机构，使用轮毂电机的电动自行车无电骑行会有电磁阻力，使用离合机构可减小电磁阻力。也可以使用离合机构来调节齿轮转速比。朱幕松的磁力手动齿轮离合高速无刷轮毂电机利用电机磁力复位实现齿轮手动啮合。

　　高速和低速磁力手动齿轮离合高速无刷轮毂电机重量轻，低速无刷轮毂电机结构简单噪音低功率大。其他电动汽车轮毂驱动电机等。

　　二、轮毂电机的构造

　　三、轮毂电机的原理

　　无刷电机启动前想知道转子和定子的相对位置必须使用传感器。无感电机直接测量电机反电动势而知道转子的位置，由控制器驱动功率管进行换相。

　　虽然存储器能记录定子和转子的相对位置，但对于极缓慢的转动系统将无法理解电机绕组反电动势的波形。电机达到一定转速时由于受惯性限制波峰波谷都代表一定的角度，刹车时就关闭电机。所以使用磁传感器的轮毂电机是主流。

　　轮毂电机原理图红色磁钢转子处在死角位置，要靠蓝色磁钢转子上方的绕组通电，走出死角。图2所示电机就没有死角，只要知道转子的位置，就知道怎样驱动功率管。

　　图1图2所示电机看上去象是把直线电机卷了起来，绕组通电好比是用食物引诱着驴子(磁钢)不停地跑，却总保持着一段距离，它功率较大，比较重，结构简单，噪音低。

　　四、磁力手动齿轮离合高速无刷轮毂电机

　　利用三个大而薄的2模钢齿轮减速来得到所需动力。需要滑行时由偏心离合手柄拉动轴心离合传动的轴、活塞及拉钩，使电机齿轮外转子端盖位移，电机齿轮与传动齿轮分离。不要滑行时利用电机磁力复位实现齿轮手动啮合，其离合机构简单，省去超越离合器。

　　散热，为了防止电机把热量传给轮胎，两者间必须有一定距离，有的用钢丝来隔离。

　　五、轮毂电机的优点

　　省略大量传动部件，让车辆结构更简单。应用轮毂电机可以大大简化车辆的结构，传统的离合器、变速箱、传动轴将不复存在。这也意味着节省出更多的空间。

　　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。除了结构更为简单之外，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。可实现多种复杂的驱动方式，由于每个轮胎都是单独驱动的，非常容易实现四驱形式。应用轮毂电机技术甚至可以实现两侧车轮反转来达到原地转向的目的。此外，对于一些特种车辆，如车轮数量超多的“蜈蚣车”来说，轮毂电机也是非常好的解决方式。

　　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。

　　便于采用多种新能源车技术，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。

　　六、轮毂电机的缺点

　　增大簧下质量和轮毂的转动惯量，对车辆的操控有所影响轮毂电机要安装在轮圈内，这使得车辆的簧下质量增加不利于操控。还以Protean公司生产的轮毂电机来看，单个电机的质量为30kg。

　　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。

　　电制动性能有限，维持制动系统运行需要消耗不少电能电涡流制动容量不高，在重型车上需要配合机械制动系统共同工作。对于电动车而言，要达到更高的制动效果则需要耗费更高的能量，在一定程度上影响了续航里程。

　　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(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。

　　七、总结

　　轮毂电机这项技术确实有着很好的优势，不仅能节省大量空间，还能提升传动效率，是新能源车发展的一个很好的方向。但是目前来看这项技术还存在许多问题，比如车轮工作环境过于复杂、耐久性不好保证、还有高速的震动、噪音以及制动和悬架的优化等等，这些都是工程师们需要一步步解决的。