电动三轮车轮毂的电机研究现状与发展趋势

概述

早在 20世纪 50年代初, 美国人罗伯特就发明了一种将电动机 、传动系统和制动系统融为一 体的轮毂装置。

该轮毂于1968年被通用电气公司应用在大型的矿用自卸车上 。

近年来 , 随着电动汽车的兴起 , 轮毂电机重新引起了重视。

轮毂电机驱动系统的布置非常灵活 , 可以使电动汽车 成为两个前轮驱动、两个后轮驱动或四轮驱动。

与内燃机汽车和单电机集中驱动电动汽车相比,  使用轮毂电机驱动系统的汽车具有以下几方面优势：

(1)动力控制由硬连接改为软连接型式，通过电子线控技术 , 实现各电动轮从零到更大速度的无级变速和各电动轮间的差速要求 , 从而省略了传统汽车所需的机械式操纵换档装置、离合器、 变速器 、传动轴和机械差速器等 , 使驱动系统和整 车结构简洁 , 有效可利用空间大 , 传动效率提高 。 

(2)各电动轮的驱动力直接独立可控 , 使其动力学控制更为灵活 、方便 ;能合理控制各电动轮的驱动力, 从而提高恶劣路面条件下的行驶性能。

(3)容易实现各电动轮的电气制动 、机电复合制动和制动能量回馈。

(4)底架结构大为简化, 使整车总布置和车身造型设计的自由度增加 。若能将底架承载功能与车身功能分离 , 则可实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化, 从而缩短新车型的开发周期 , 降低开发成本 。

(5)若在采用轮毂电机驱动系统的四轮电动汽车上导入线控四轮转向技术 , 实现车辆 转向行驶高性能化, 可有效减小转向半径 , 甚至实现零转向半径, 大大增加了转向灵便性。

1 驱动系统

1. 1  驱动方式

电动三轮车轮毂电机的驱动方式可以分为减速驱动和直接驱动两大类[ 1] 。

在减速驱动方式下(见图 1), 电机一般在高速下运行, 而且对电机的其他性能没有特殊要求,  因此可选用普通的内转子电机 。

减速机构放置在电机和车轮之间, 起减速和增加转矩的作用。

减速驱动的优点是 :电机运行在高转速下, 具有较高的比功率和效率;体积小、重量轻, 通过齿轮增力后 , 扭矩大、爬坡性能好;能保证在汽车低速运行时获得较大的平稳转矩。

不足之处是 :难以实现液态润滑, 齿轮磨损较快、使用寿命短 , 不易散热,  噪声偏大。减速驱动方式适用于丘陵或山区, 以及要求过载能力较大等场合[ 2] 。

在直接驱动方式下 (见图 2), 电机多采用外转子(即直接将转子安装在轮辋上 )。

为了使汽车能顺利起步, 要求电机在低速时能提供大的转矩 。此外, 为了使汽车能够有较好的动力性, 电机需具有较宽的调速范围。

直接驱动的优点有:不需要减速机构, 不但使得整个驱动轮结构更加简单 、紧凑, 轴向尺寸也减小 , 而且效率进一步提高,  响应速度也变快。

其缺点是:起步 、顶风或爬坡等承载大扭矩时需大电流, 易损坏电池和永磁体 ;电机效率峰值区域很小 , 负载电流超过一定值后效率急剧下降 。

此方式适用于平路或负载较轻的场合[ 2] 。

1. 2  电机类型

要使电动汽车有较好的使用性能 , 驱动电机应具有较宽的调速范围、较高的转速 、足够大的起动扭矩 , 以及体积小、重量轻、效率高 , 并具有强动态制动和能量回馈等特性。

目前 , 电动汽车用电动机主要有异步电动机 (IM )、永磁无刷电动机(PM BLM )和开关磁阻电动机(SRM )、横向磁场电机 (TFPM )等四类[5] 。

1. 2. 1 异步电动机

异步电机在四类电机中发展历史最为长久,  其设计 、制造以及控制技术都相对成熟, 且具有结构简单 、制造容易 、低费用 、高可靠性等优点, 受到 欧美国家的青睐。

但此类电机也存在一些缺点: 效率不高 (特别是在低速时 ), 功率密度一般;是一个强偶合 、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。

1. 2. 2 永磁无刷电动机

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 汽车领域颇受青睐。

目前绝大多数电动汽车采用永磁无刷电机驱动系统。

其缺点是 :因受永磁材料的限制, 目前电机功率受限制 ;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 。

1. 2. 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、可在较宽转速和转矩范围内高效运行、可四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。

但其缺点也很多 :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。

1. 2. 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. W eh于上世纪 80年代末提出 , 并将之使用到 电力舰船、电动汽车上 。

与其他电机相比 , 横向磁场电机的优点十分突出:实现了电路和磁路解耦,  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;绕组形式简单 , 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 好等。