電動三輪車輪轂的電機研究現狀與發展趨勢

概述

早在 20世紀 50年代初, 美國人羅伯特就發明了一種將電動機 、傳動係統和製動係統融為一 體的輪轂裝置。

該輪轂於1968年被通用電氣公司應用在大型的礦用自卸車上 。

近年來 , 隨著電動汽車的興起 , 輪轂電機重新引起了重視。

輪轂電機驅動係統的佈置非常靈活 , 可以使電動汽車 成為兩個前輪驅動、兩個後輪驅動或四輪驅動。

與內燃機汽車和單電機集中驅動電動汽車相比,  使用輪轂電機驅動係統的汽車具有以下幾方麵優勢：

(1)動力控製由硬連接改為軟連接型式，通過電子線控技術 , 實現各電動輪從零到更大速度的無級變速和各電動輪間的差速要求 , 從而省略了傳統汽車所需的機械式操縱換檔裝置、離合器、 變速器 、傳動軸和機械差速器等 , 使驅動係統和整 車結構簡潔 , 有效可利用空間大 , 傳動效率提高 。 

(2)各電動輪的驅動力直接獨立可控 , 使其動力學控製更為靈活 、方便 ;能合理控製各電動輪的驅動力, 從而提高惡劣路麵條件下的行駛性能。

(3)容易實現各電動輪的電氣製動 、機電複合製動和製動能量回饋。

(4)底架結構大為簡化, 使整車總佈置和車身造型設計的自由度增加 。若能將底架承載功能與車身功能分離 , 則可實現相同底盤不同車身造型的産品多樣化和係列化, 從而縮短新車型的開發周期 , 降低開發成本 。

(5)若在採用輪轂電機驅動係統的四輪電動汽車上導入線控四輪轉嚮技術 , 實現車輛 轉嚮行駛高性能化, 可有效減小轉嚮半徑 , 甚至實現零轉嚮半徑, 大大增加了轉嚮靈便性。

1 驅動係統

1. 1  驅動方式

電動三輪車輪轂電機的驅動方式可以分為減速驅動和直接驅動兩大類[ 1] 。

在減速驅動方式下(見圖 1), 電機一般在高速下運行, 而且對電機的其他性能冇有特殊要求,  因此可選用普通的內轉子電機 。

減速機構放置在電機和車輪之間, 起減速和增加轉矩的作用。

減速驅動的優點是 :電機運行在高轉速下, 具有較高的比功率和效率;體積小、重量輕, 通過齒輪增力後 , 扭矩大、爬坡性能好;能保證在汽車低速運行時獲得較大的平穩轉矩。

不足之處是 :難以實現液態潤滑, 齒輪磨損較快、使用壽命短 , 不易散熱,  噪聲偏大。減速驅動方式適用於丘陵或山區, 以及要求過載能力較大等場合[ 2] 。

在直接驅動方式下 (見圖 2), 電機多採用外轉子(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的轉矩 。此外, 為了使汽車能夠有較好的動力性, 電機需具有較寬的調速範圍。

直接驅動的優點有:不需要減速機構, 不但使得整個驅動輪結構更加簡單 、緊湊, 軸嚮尺寸也減小 , 而且效率進一步提高,  響應速度也變快。

其缺點是:起步 、頂風或爬坡等承載大扭矩時需大電流, 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後效率急劇下降 。

此方式適用於平路或負載較輕的場合[ 2] 。

1. 2  電機類型

要使電動汽車有較好的使用性能 , 驅動電機應具有較寬的調速範圍、較高的轉速 、足夠大的起動扭矩 , 以及體積小、重量輕、效率高 , 並具有強動態製動和能量回饋等特性。

目前 , 電動汽車用電動機主要有異步電動機 (IM )、永磁無刷電動機(PM BLM )和開關磁阻電動機(SRM )、橫嚮磁場電機 (TFPM )等四類[5] 。

1. 2. 1 異步電動機

異步電機在四類電機中發展曆史最為長久,  其設計 、製造以及控製技術都相對成熟, 且具有結構簡單 、製造容易 、低費用 、高可靠性等優點, 受到 歐美國家的青睞。

但此類電機也存在一些缺點: 效率不高 (特別是在低速時 ), 功率密度一般;是一個強偶合 、多變量、非線性的係統, 需採用矢量控製和直接轉矩等控製手段, 控製成本較高。

1. 2. 2 永磁無刷電動機

與其他電機相比 , 永磁無刷電機具有功率密度高、效率高 、體積小、結構簡單 、輸出轉矩大、可控性好、可靠性高、噪聲低等一係列優點 , 在電動 汽車領域頗受青睞。

目前絕大多數電動汽車採用永磁無刷電機驅動係統。

其缺點是 :因受永磁材料的限製, 目前電機功率受限製 ;其 次 , 永磁轉子的勵磁無法調節 , 導緻電機調速睏難 , 調速範圍不寬 。

1. 2. 3 開關磁阻電動機

開關磁阻電機是近20年才發展起來的一種 新型調速電機, 具有簡單可靠、可在較寬轉速和轉矩範圍內高效運行、可四象限運行、響應速度快和成本較低等優點。

但其缺點也很多 :轉矩存在較大波動 , 振動大 , 噪聲大;係統非線性, 建模睏難,控製成本高 ;功率密度低等。

1. 2. 4 橫嚮磁場電機

橫嚮磁場電機最早是由德國著名電機專家H. W eh於上世紀 80年代末提出 , 並將之使用到 電力艦船、電動汽車上 。

與其他電機相比 , 橫嚮磁場電機的優點十分突出:實現了電路和磁路解耦,  設計自由度大大提高 ;高轉矩密度,  大約是標準工業用異步電機的 5 ～ 10倍, 且特別適合應用於要求低速、大轉矩等場合;繞組形式簡單 , 不存在傳 統電機的端部, 繞組利用率高;各相間相互獨立;  效率高 ;控製電路與永磁無刷電動機相同 , 可控性 好等。