电动车辆应用轮毂电机的情况
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轮毂电机工作原理
轮毂电机是一种集成在车辆轮毂内的电机,它是电动汽车和混合动力汽车的重
要组成部分。
轮毂电机的工作原理是通过电能转化为机械能,驱动车辆行驶。
本文将详细介绍轮毂电机的工作原理。
首先,轮毂电机是由电机部分和轮毂部分组成的。
电机部分包括定子和转子,
定子是固定不动的部分,转子则是旋转的部分。
轮毂部分则是整合在车轮内的部件,能够直接驱动车辆前进或后退。
当电能输入到轮毂电机时,电机部分的定子会产生一个旋转磁场,这个磁场会
作用在轮毂部分的转子上,使其产生旋转。
通过这种方式,电能就被转化为了机械能,从而驱动车辆行驶。
这就是轮毂电机的基本工作原理。
此外,轮毂电机还可以通过控制电流的大小和方向来控制车辆的速度和方向。
通过改变电流的大小,可以控制电机输出的功率,从而控制车辆的加速和减速。
而改变电流的方向,则可以改变电机的旋转方向,从而实现车辆的前进和后退。
在实际应用中,轮毂电机还需要与车辆的控制系统紧密配合,以实现精准的控制。
控制系统会根据驾驶员的操作和车辆的状态,来调节轮毂电机的工作状态,以实现平稳的行驶和高效的能量利用。
总的来说,轮毂电机通过将电能转化为机械能,驱动车辆行驶。
其工作原理是
通过电磁感应产生旋转磁场,从而驱动车轮旋转。
通过控制电流大小和方向,可以实现对车辆速度和方向的精准控制。
与车辆的控制系统配合,可以实现高效、平稳的驾驶体验。
以上就是轮毂电机的工作原理,希望能够对您有所帮助。
如果您对轮毂电机还
有其他疑问,欢迎继续咨询。
浅谈新能源汽车轮毂电机一、轮毂电机的工作原理新能源汽车轮毂电机是指将电机集成于车轮轴承内的一种电动机,它通过电能转换为机械能,从而驱动车辆运行。
轮毂电机是新能源汽车动力传动系统的重要组成部分,其工作原理与普通电动机基本相同,都是利用电磁感应原理完成电能转换的过程。
轮毂电机通过电磁场的变化,使得电能转化为机械能,从而带动车轮转动,推动汽车前行。
二、轮毂电机的特点1. 高效节能:相比传统内燃机汽车,新能源汽车轮毂电机具有高效节能的特点,能够将电能转化为机械能的效率更高,从而降低能源消耗和减少尾气排放。
2. 空间利用率高:由于轮毂电机集成于车轮轴承内,无需额外的传动装置,因此可以更充分地利用车辆空间,使得整车结构更加紧凑。
3. 响应速度快:轮毂电机具有响应速度快的特点,能够在瞬间提供足够的扭矩输出,使得车辆动力性能更加优越。
4. 增强安全性:由于轮毂电机的集成布局,能够实现四驱独立控制,从而提高了车辆的稳定性和操控性,增强了行车安全性。
5. 带来静音舒适的驾驶体验:轮毂电机无需传动装置,不存在传统内燃机汽车的变速箱、离合器等零部件,从而减少了噪音和振动,带来更加静音舒适的驾驶体验。
三、轮毂电机的发展趋势1. 高性能化:未来新能源汽车轮毂电机将朝着高性能化的方向发展,提高功率密度和效率,以满足更高的动力需求。
2. 集成化:随着技术的不断进步,轮毂电机将更趋向于集成化设计,减少体积和重量,从而使得整车的能耗降低,续航里程得到提升。
3. 智能化:未来轮毂电机将实现智能控制,实现车辆动力系统的智能化管理,提高能量的利用效率和续航里程。
4. 可靠性提升:轮毂电机所处的工作环境较为恶劣,对电机的可靠性要求较高。
未来轮毂电机将在材料、工艺和设计等方面进行优化,提高其可靠性和寿命。
新能源汽车轮毂电机作为新能源汽车的重要核心部件,具有很高的发展潜力。
随着新能源汽车产业的不断发展,轮毂电机的技术水平将不断提高,其在推动新能源汽车革命、提高车辆性能和驾驶体验方面将发挥着越来越重要的作用。
简述轮毂电机的应用类型
轮毂电机是指集成在车轮轮毂内部的电机,用于直接驱动车辆的轮毂。
轮毂电机按照电机磁场的类型主要分为轴向磁场和径向磁场两种类型。
轴向磁通电机的结构更利于热量散发,并且它的定子可以不需要铁芯。
径向磁通电机定转子之间受力比较均衡,磁路由硅钢片叠压得到,技术更简单成熟。
轮毂电机也可以根据电机的不同类型来区分应用。
目前主要采用的电机类型包括永磁同步电机(PMSM)、无刷直流电机(BLDC)、交流同步电机(ASM)和感应电机(IM)。
这些不同类型的电机各有其特点和优势,例如直流电机在轮毂电机中比较常见,因为直流电机具有较高的转矩和速度控制性能,并且相对容易控制。
然而,也有一些轮毂电机采用交流电机,例如交流同步电机(ASM)或感应电机(IM),但它们的应用相对较少,主要由于控制复杂性和成本等方面的考虑。
不论是直流电机还是交流电机,轮毂电机的设计和应用都需要考虑到动力需求、效率、重量、成本以及控制系统的要求。
根据具体的应用和设计目标,可以选择适合的电机类型来实现轮毂驱动。
电动汽车轮毂电机故障诊断及维修探析1 案例分析某一辆用于维修研究的纯电动汽车,且以轮毂电机来实现驱动;该辆车在行使时,其动力开始逐步下降,并无法有效满足汽车爬坡以及紧急加速的需求。
2 故障检查负责维修的人员通过举升机将故障车辆举起,并先后分别对前进挡、倒挡以及加速踏板进行了全方位的检查。
在这个过程中发现汽车的右后轮未正常运转,此时,维修人员认为汽车的后右轮动力系统应该出现了问题。
纯电动汽车的驱动系统由电机、控制器两大部分组成;为了能够保障车辆的舒适性,为其设置量独立控制器,数量为2个,其作用是汽车后轴的驱动轮毂进行有效控制。
后左轮驱动正常,基于此,维修人员将左右后轮的控制器进行互调,即用左后轮的控制器来对右后的电机进行控制,但是未将故障有效排除。
此时,经过分析之后,维修人员认为后轮毂电机自身方面出现了问题。
该车辆的电动机为直流无刷电动机,其中以星状的方式布置以及连接了三组线圈。
电机转子内圈之中有粘有磁块(稀土永磁材料制作而成),并在霍尔传感器的支持下能够实现转子磁场的检测,然后针对对应的控制器传输对应的信号。
控制器发挥作用必须要有这些信号为基本依据,从而有效1/ 4控制定子电流的大小、方向,这样电机则可以将整个车轮带动。
制动方面的能量必须要进行回收,此时,车轮会随着电机的作用力而进行旋转。
与此同时,永磁体会持续的运动,然后形成对应的磁场,并保持持续性运动;接着,定子线圈范围当中有会感应的电动势逐步形成,同时,发电机会被电动机岁替代。
另外,控制器在点火开关断开之后会立刻停止,其定子线圈也处于到断路的状态之中,面对这样的形式,感应电动势则难以再形成回路,而且对于感应电流来讲,定子线圈之中也无法获得,这就意味着没有办法形成反力矩,而对于驱动轮转动的阻力也会比较小。
将点火开关断开,并将两个后轮进行转动,可以进一步发现左后轮的阻力明显较小,而有后轮的阻力则明显比较大,此时维修人员做出判断,即:汽车右后轮的电机定子之中的线圈,一方面是有了感应的电流,另外一方面还形成了回路。
74电动汽车轮毂电机故障诊断与维修文:常亮关键词:轮毂电机定子线圈、霍尔传感器故障现象:一辆教学科研用轮毂电机驱动式纯电动汽车,在行驶中突然动力下降,无法提供足够动力来满足急加速、爬坡等大功率工况需要。
检查分析:笔者用举升机举起车辆后,分别挂前进挡和倒挡并踩下加速踏板,均发现该车2个后轮中只有左后轮转动,而右后轮不动,因此初步判定是右后轮动力系统故障。
纯电动汽车的驱动系统一般由控制器(变频器)和电机组成,该车有2个独立的控制器分别控制后轴2个驱动轮毂。
因为左后轮能够正常驱动,所以控制左后电机的控制器是正常的。
接着采用替换法用左后轮控制器控制右后电机,结果发现故障现象依旧,故障范围进一步缩小到右后轮毂电机本身。
该车轮毂电机采用了直流无刷电动机,电机定子由三组线圈星形连接而成,稀土永磁材料做成的磁块粘贴在电机转子内圈上,由三组霍尔传感器检测转子磁场变换并将信号送往控制器,控制器根据轮速信号及加速踏板位置信号控制送往电机定子的电流大小和方向,使电机带动车轮旋转。
在制动能量回收时,车轮反拖电机旋转,永磁体产生的磁场随之旋转并在定子线圈中产生感应电动势,此时电动机就变成了发电机。
正常情况下,关闭点火开关时控制器停止工作,定子线圈处于断路状态。
也就是说,产生的感应电动势不能形成回路,定子线圈中没有感应电流,也就不能形成反力矩,所以此时转动驱动轮的阻力应该是很小的。
但是当关闭该车点火开关时,转动2个后轮却发现左侧的阻力很小而右侧的阻力很大,这说明右后轮电机定子线圈形成了回路。
由于控制器没有问题,所以只能是电机定子线圈线束短路引起的。
用万用表测量电机定子线圈引出线3个端子之间的电阻值,3个端子的颜色分别为黄、绿、蓝,黄绿端子间和绿蓝端子间的电阻值都是0.4 Ω,而黄蓝2个端子间的电阻值接近0 Ω,初步判断是黄蓝线束间短路。
仔细检查右后轮毂电机线束,发现线束绝缘保护套有过热熔化痕迹,于是剖开绝缘套检查,发现3组线圈的连接线和霍尔传感器线束在某些部位融在了一起(图1)。
轮毂电机知识点归纳总结一、工作原理轮毂电机是将电机安装在车轮轴承内部,通过直接驱动车轮旋转的一种电机。
它利用电机产生的力矩来驱动车轮旋转,从而推动整个车辆前进。
在电动汽车中,轮毂电机提供了直接的动力输出,不需要经由传动轴和齿轮箱传递动力,因此能够减少传动损耗,提高整车的传动效率。
轮毂电机通过控制电流的大小和方向来调节输出的转矩和转速,实现对车轮旋转速度的精确控制。
此外,通过逆变器和电机控制器的配合,轮毂电机还能实现能量回收和制动能量再生等功能,提高汽车的能源利用效率。
二、结构特点1. 轴承结构:轮毂电机是将电机整合到车轮轴承内部,因此需要设计特殊的轴承结构来支撑电机转子和车轮旋转。
通常采用骨架型轴承和磁浮轴承等结构,以减少转子与定子的摩擦损耗和能量损失。
2. 电机定子:轮毂电机的定子通常采用永磁同步电机或感应电机的结构。
永磁同步电机具有高效率、功率密度大的优点,而感应电机具有结构简单、可靠性高的特点。
3. 电机转子:轮毂电机的转子通常采用内嵌式或外嵌式结构,内嵌式结构将电机转子设置在车轮轴承内侧,外嵌式结构则将电机转子设置在车轮轴承外侧。
内嵌式结构可减小转子惯量,提高动力响应速度,外嵌式结构则便于散热和维护。
4. 电机冷却:轮毂电机由于内置在轮毂中,其散热条件较为苛刻。
因此,需要设计有效的散热系统来排除电机内部产生的热量,以保证电机稳定工作。
三、应用领域1. 电动汽车:轮毂电机已经成为电动汽车的主流动力装置之一。
由于其结构紧凑、稳定性好、能量利用效率高等特点,轮毂电机在电动汽车中得到广泛应用。
其直接驱动车轮的特性,使得电动汽车可以实现更加精准的动力控制和更高的行驶效率。
2. 混合动力车:轮毂电机还可以应用在混合动力汽车中,配合内燃机依靠能量回收和再生制动等技术实现高效的能源利用。
通过轮毂电机的辅助,混合动力汽车可以实现更低的油耗和更低的排放。
3. 车辆电动化改造:轮毂电机还有一定应用于对传统燃油车进行电动化改造的市场潜力。
轮毂电机阻力1.引言1.1 概述轮毂电机是一种集电机和车轮于一体的创新科技,它以轮毂作为电机的外壳,将电机直接嵌入到车轮内部。
与传统的车轮和发动机相比,轮毂电机具有诸多优势。
首先,轮毂电机能够实现车辆的电动化。
传统的发动机需要额外的传动系统来将动力传输到车轮上,而轮毂电机将电机直接安装在车轮上,省去了传统传动系统的需求。
这种设计降低了能源传输的损耗,提高了能源的利用效率。
其次,轮毂电机的响应速度更快。
由于电机直接嵌入到车轮中,动力传输更加直接和高效。
当驾驶员踩下油门时,电机可以立即响应并提供相应的动力输出,使车辆的加速性能更加优秀。
此外,轮毂电机还能够提供更好的操控性能。
传统的发动机需要通过传动系统将动力传输到车轮上,而传动系统往往存在一定的延迟和能量损耗。
而轮毂电机直接与车轮相连,消除了传动系统的缺点,使得车辆转向更为灵活,操控更加精准。
最后,轮毂电机的静音性能更好。
传统的发动机由于内部燃烧和机械运动带来的震动和噪音,使得车辆在行驶时产生一定的噪音。
而轮毂电机由于其简洁的结构和内部的电动化特性,减少了噪音的产生,使得车辆出行更加安静舒适。
综上所述,轮毂电机具有诸多优势,包括电动化、快速响应、良好的操控性能和低噪音等。
随着科技的不断进步和发展,可以预见轮毂电机在未来的发展中将发挥更加重要的作用,并为汽车行业带来革命性的改变。
文章结构部分的内容可以这样编写:1.2 文章结构本文分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分,将对轮毂电机的概述进行介绍,包括其基本原理和应用领域。
接下来将说明文章的结构,即正文部分将分为轮毂电机的原理和应用两个小节,分别深入探讨轮毂电机的工作原理及其在实际应用中的情况。
最后结论部分将对轮毂电机的优势进行总结,并对其未来的发展前景进行展望。
通过这样的结构,读者能够清晰地了解轮毂电机的基本概念、原理、应用以及其未来的发展趋势,同时也方便对文章内容进行查找和理解。
接下来,将逐一介绍正文部分的内容。
电动轮毂驱动系统常见故障的解决办法随着科技的不断进步,电动轮毂驱动系统在汽车行业中得到了广泛应用。
然而,正如其他机械系统一样,电动轮毂驱动系统也存在一些常见故障。
本文将介绍几种常见故障,并提供相应的解决办法。
一、电动轮毂失效电动轮毂失效是电动轮毂驱动系统中最常见的故障之一。
这可能是由于电动机内部元件损坏、电路故障或电动轮毂控制单元故障引起的。
当电动轮毂失效时,车辆的动力将受到限制,甚至无法行驶。
解决办法:1. 检查电动轮毂电路是否正常。
检查电动轮毂电路的连接是否松动或损坏,并修复或更换受损的部分。
2. 检查电动轮毂控制单元是否正常工作。
使用专业的诊断工具对电动轮毂控制单元进行检测,并根据检测结果进行修复或更换。
二、电动轮毂噪音过大电动轮毂噪音过大是另一个常见的故障。
这可能是由于电动轮毂轴承损坏、齿轮磨损或电动机问题引起的。
噪音过大不仅会影响驾驶体验,还可能加速零部件的磨损。
解决办法:1. 检查电动轮毂轴承是否损坏。
如果发现轴承损坏,应及时更换。
2. 检查电动轮毂齿轮是否磨损。
如果齿轮磨损严重,应进行修复或更换。
3. 检查电动轮毂电机是否正常工作。
如果电机存在问题,应及时修复或更换。
三、电动轮毂制动失效电动轮毂制动失效是一种非常危险的故障,可能导致车辆无法停下或制动力不足。
这可能是由于制动系统液压故障、制动盘磨损或制动片磨损引起的。
解决办法:1. 检查制动系统液压是否正常。
如果发现液压故障,应修复或更换液压元件。
2. 检查电动轮毂制动盘是否磨损。
如果磨损严重,应进行修复或更换。
3. 检查电动轮毂制动片是否磨损。
如果磨损严重,应及时更换。
四、电动轮毂温度过高电动轮毂温度过高可能是由于电动轮毂电机过载、电机冷却系统故障或制动过程中能量转化不完全引起的。
过高的温度可能导致电动轮毂内部元件损坏。
解决办法:1. 检查电动轮毂电机是否过载。
如果电机过载,应减少负载或增加冷却措施。
2. 检查电动轮毂冷却系统是否正常工作。
国内电动汽车轮毂电机的技术指标参数在当今汽车行业的快速发展和环保意识的不断提升下,电动汽车作为一种清洁、高效的交通工具,受到了越来越多消费者的青睐。
而在电动汽车的关键部件中,轮毂电机更是其核心之一。
轮毂电机作为电动汽车的动力来源,其技术指标参数的优劣直接影响着车辆的性能表现和行驶效率。
本文将从深度和广度的角度探讨国内电动汽车轮毂电机的技术指标参数,以帮助读者更全面、深入地了解这一重要的部件。
一、功率密度国内电动汽车轮毂电机的技术指标中,功率密度是一个极为重要的参数。
功率密度代表着单位体积或单位重量下的功率输出,也可以理解为电动汽车轮毂电机的动力性能。
一般来说,功率密度越高的轮毂电机,意味着其在同样体积或重量下能够输出更大的功率,从而提高车辆的加速性能和行驶效率。
国内一些知名的电动汽车制造商,如特斯拉、蔚来等,他们的轮毂电机功率密度已经达到了非常可观的水平。
其采用了先进的磁动力电机技术和高性能材料,使得轮毂电机的功率密度得到了显著提升。
而随着电动汽车技术的不断进步,相信未来国内电动汽车轮毂电机的功率密度会有更大突破,为用户带来更优秀的驾驶体验。
二、效率电动汽车作为一种节能环保的交通工具,其能源利用效率也是一个非常重要的指标。
而轮毂电机的效率即代表了其能够将电能转换为机械能的能力。
一般来说,电动汽车轮毂电机的效率越高,意味着在同样的电能输入下,能够输出更大的动力,从而延长电动汽车的续航里程,提高能源利用效率。
国内一些领先的电动汽车轮毂电机制造商,他们在提升电机效率方面也做出了一系列的努力。
采用了高效的电机设计、优质的材料和先进的生产工艺,使得电动汽车轮毂电机的效率得到了显著提升。
一些新型的永磁同步电机等技术的应用,也为电动汽车轮毂电机的效率带来了全新的突破。
未来,随着电动汽车技术的不断发展,相信国内的电动汽车轮毂电机在效率方面也会有更大的提升空间。
三、扭矩除了功率密度和效率外,电动汽车轮毂电机的扭矩也是一个重要的技术指标参数。
- 78 -工 业 技 术1 轮毂电机驱动技术的研究现状分析在20世纪50年代初期,在美国进行了一项创造性的实践探索与研究,不仅将车轮轮毂内置入了驱动电机和传动装置,而且还将制动系统也装入其中,这就是现如今我们所见到的轮毂电机最初造型结构,后来经过不断改进,20世纪60年代末,这种轮毂电机被首次用在了大型矿用自卸车上,使其初次具有了实用性应用效果。
而在之后的几十年当中,轮毂电机始终被应用于电动汽车领域,而其首次被应用于电动自行车上,则是在我国制造并实现的,这就是在1990年,最先由清华大学研制开发的半轴结构式高速有刷轮毂电机,与此同时,还将这种轮毂电机应用到了电动自行车上,以此来为电动自行车提供了完整的驱动系统。
在此之后,还有无数的专家学者也对该项技术展开了更深层次的探究。
尤其在进入20世纪90年代后,在轮毂电机为电动自行车提供驱动技术之时,其结构主要是内转子结构,而随着技术的不断更新与成熟应用,逐渐有了外转子结构的轮毂电机,而且这一技术已经成为当前的主流应用技术。
这种轮毂电机最大的优点,就是结构简单、性能稳定,而且具有较为宽泛的调速范围,同时还没有过多的噪声产生,运行效率也极高。
但它也存在一定的缺陷,那就是转速较低,且过载能力较差,同时针对电磁设计也具有相当高的标准要求。
随着我国的电动自行车越来越多地使用直流有刷轮毂电机,而越来越少地使用交流异步轮毂电机,直至2000年以后,人们研发出了直流无刷轮毂电机,进而在2004年,随着相关技术取得重大突破,直流无刷低速轮毂电机成了主流。
逐步发展到近些年,在永磁材料和控制技术都取得了巨大进步的同时,永磁同步电机和开关磁阻电机等类型的轮毂电机问世。
综合上述分析可知,无论是车身结构的不断改良,还是控制器和蓄电池技术的不断发展,都使电动自行车行业的产业发展获得了强大推动力,而轮毂电机技术作为以上技术的基础,同时也是最关键的一项技术,也不断扩大发展。
现阶段,轮毂电机的主要形式仍以直流有刷以及直流无刷为主,这2种电机结构不仅复杂,而且稳定性并不高,同时运行效率也无法令人满意,使车辆的性能无法得到显著提升;虽然永磁同步电机以及开关磁阻电机的各项性能都比较好,但因其在电动自行车领域的应用仍处在一个实验阶段,还有很多问题需要继续改进。
电动汽车轮毂电机原理及安装一、电动汽车轮毂电机原理1.结构:电动汽车轮毂电机由电机、减速器、制动系统和轮胎组成。
电机位于轮毂内部,将电能转化为机械能;减速器可通过多级减速实现最佳转速;制动系统用于控制车辆的制动力;轮胎提供与马路之间的摩擦力。
2.直接驱动:电动汽车轮毂电机的驱动方式是直接驱动,即电机将能量直接传递给轮胎,使车辆前进。
相比传统的内燃机驱动方式,减少了传动系统中的能量损失,提高了传动效率。
3.动力输出:电动汽车轮毂电机的动力输出可以通过电机的电流、电压或频率来调节。
通过调节电机的输出参数,可以实现车速的控制。
4.回收能量:电动汽车轮毂电机能够实现能量回收。
当车辆减速或刹车时,电机可以将动能转化为电能储存在电池中,从而延长车辆的续航里程。
二、电动汽车轮毂电机安装1.拆卸轮胎:首先需要将车辆的轮胎拆卸下来,以便进行后续的安装操作。
注意安全,使用专业工具进行拆卸。
2.安装电动机:将电动机放置在轮毂内部,并与轮毂固定,以确保电动机与车轮的传动连接牢固可靠。
3.安装减速器:将减速器安装在电动机和车轮之间,以实现最佳的转速匹配。
根据车辆的需求,可以选择不同的减速比。
4.连接电源线路:将电动机的电源线路与电池进行连接,确保电动机能够正常供电。
注意电源线路的安全与可靠性。
5.安装制动系统:根据车辆的需求,安装相应的制动系统以实现对车辆制动力的控制。
制动系统需要与电动机和车轮相连,以确保安全。
6.安装轮胎:最后,将轮胎安装回车辆,确保轮胎与轮毂紧密贴合。
注意轮胎的安全和平衡性。
在安装电动汽车轮毂电机时,需要注意以下几点:1.安全:安装前确保车辆停稳,并采取相应的安全措施,避免意外伤害。
2.可靠性:根据车辆的需求和负载情况选择合适的电动机和减速器,确保安装后的电动汽车能够正常工作。
3.效率:考虑电机的转速范围和工作效率,确保为车辆提供足够的动力和续航里程。
总之,电动汽车轮毂电机利用直接驱动的原理,将电能转化为机械能,为车辆提供动力。
1 引言 全世界的汽车保有量和使用量巨大,而且增长迅速。21世纪,人类将面临严峻的能源和环境挑战,研究开发节能、环保和安全的汽车是实现交通可持续发展的必由之路。其中,电动汽车以其在使用过程超低排放/零排放、能源利用多元化和高效化、便于实现智能化控制等方面的技术优势备受重视,呈现加速发展态势。在电动汽车诸多电力驱动系统型式中,采用轮毂电机系统的动力系统结构型式正日益成为发展方向,而轮毂电机系统作为关键总成成为电动汽车领域的研究重点和研究热点。本文在综合大量文献的基础上,针对轮毂电机系统的研究进展进行了综合分析。论文阐述了轮毂电机系统的概念,回顾了轮毂电机及其在电动汽车上研究和应用历史,对比分析轮毂电机的结构型式、电机应用类型以及性能特点,在剖析轮毂电机驱动系统结构型式对整车性能的积极和消极影响的基础上总结出轮毂电机系统的设计开发的关键技术问题。
2 轮毂电机系统的概念与应用领域 轮毂电机系统是本文提出的概念。通常,人们称其为轮毂电机,也有的研究者称其为轮式电机、车轮电机或者电动轮,英文名称以“in-wheel motor”居多,也有称“wheel motor”和“wheel direct drive motors”的。实际上,以上称谓严格来说都是不准确的。“轮毂电机、轮式电机和车轮电机”都侧重于电机,而“电动轮”侧重于车轮。若从系统观点出发,我们所指确切应为驱动电机和车轮紧密集成而形成的一体化的多功能系统,即为“integrated motor and wheel system”。为了方便起见,本文对已经被工程界广泛应用的“轮毂电机”和“in-wheel motor”稍作修改,以“轮毂电机系统”和“in-wheel motor system”作为中英文称谓。 轮毂电机系统在各种交通工具中都有应用,如图1所示。不同的应用场合对轮毂电机的结构型式和技术性能等都提出了不同的要求,相应的产生了各种轮毂电机系统及其特色技术。本文的主要研究对象是汽车用轮毂电机系统。
图1 轮毂电机系统的应用领域 3 轮毂电机系统的发展历史 轮毂电机系统的诞生可以一直追溯到电动汽车诞生的初期,而轮毂电机在电动汽车上的广泛应用主要集中在近几年的概念车上。
最早见诸于文献的有关轮毂电机及其应用来自于著名汽车公司保时捷的创始人保时捷(F. Porsche)。1900年,保时捷研制了两个前轮装备轮毂电机的前轮驱动双座电动汽车,并在电动汽车比赛中取得了最好的成绩。图2所示为保时捷研制的轮毂电机驱动电动汽车。值得引起注意的是,保时捷在1902年就研制出了采用发动机和轮毂电机的混合动力汽车,取得山地汽车拉力赛的好成绩。1910年,保时捷研制了军用陆地列车,最前面的机车装备发动机和发电机,后面的10辆列车利用轮毂电机驱动(图3)。可以说,保时捷是基于轮毂电机的电动汽车和混合动力汽车之父。
图2 保时捷研制的轮毂电机纯电动汽车 图3 保时捷研制的轮毂电机混合动力电动汽车 20世纪50年代,美国人罗伯特发明了电动汽车轮毂,并申请了专利。1968年这种轮毂被通用电器公司应用在大型矿用自卸车上。采用轮毂电机的电动汽车具有一个明显的优点,就是可以采用采用扁平的车架结构,因此在需要频繁上下车的城市公共交通客车上大量应用。图所示为许多汽车公司研制的低车架和低地板公交车上应用的轮毂电机结构。
轮毂电机系统驱动作为电动汽车的一种重要驱动形式,得到了各大汽车厂商和组织的重视。自90年代起,日本就推出了一系列轮毂电机系统驱动的电动汽车,如TEPCO的IZA,NIES的Eco,Luciole等等,最近又有三菱的Colt、Lancer Evolut MIEV,本田的FCX concept等新车型。通用自2002年开始推出的概念车AUTOnomy(自主魔力)、Squel采用的都是轮毂电机系统驱动。与此同时,各大厂商加大了对轮毂电机系统的研发力度,高性能的新型轮毂电机系统不断涌现,轮毂电机的门类不断丰富,性能不断提高,著名的轮毂电机厂商有加拿大的TM4、美国的Wavecrest等。
4 轮毂电机的结构型式、电机应用类型及特点分析 4.1 轮毂电机的结构形式 轮毂电机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。轮毂电机动力系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式:内转子型和外转子型。图4所示为两种型式轮毂电机的结构简图。通常,外转子型采用低速外传子电机,电机的最高转速在1000-1500r/min左右,无任何减速装置,电机的外传子与车轮的轮辋固定或者集成在一起,车轮的转速与电机相同。内转子型则采用高速内转子电机,同时装备固定传动比的减速器。为了获得较高的功率密度,电机的转速通常高达10000r/min。减速结构通常采用传动比在10:1左右的行星齿轮减速装置,车轮的转速在在1000r/min左右。
图4 轮毂电机的结构形式 高速内转子的轮毂电机具有较高的比功率,质量轻,体积小,效率高,噪声小,成本低;缺点是必须采用减速装置,使效率降低,非簧载质量增大,电机的最高转速受线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承受能力等因素的限制。低速外转子电机结构简单、轴向尺寸小,比功率高,能在很宽的速度范围内控制转矩,且响应速度快,外转子直接和车轮相连,没有减速机构,因此效率高;缺点是如要获得较大的转矩,必须增大发动机体积和质量,因而成本高,加速时效率低,噪声大。图所示为两种结构形式的轮毂电机。这两种结构在目前的电动车中都有应用,但是随着紧凑的行星齿轮变速机构的出现,高速内转子式驱动系统在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。
轮毂电机动力系统由于电机电制动容量较小,不能满足整车制动效能的要求,通常需要附加机械制动系统。轮毂电机系统中的制动器可以根据结构采用鼓式或者盘式制动器。由于电动机电制动容量的存在,往往可以使制动器的设计容量可以适当减小。大多数的轮毂电机系统采用风冷方式进行冷却,也有采用水冷和油冷的方式对电机、制动器等的发热部件进行散热降温,但结构比较复杂。
4.2 电机应用类型与特点分析 轮毂电机系统的驱动电机按照电机磁场的类型分为径向磁场和轴向磁场两种类型。对比如下:(1)轴向磁通电机的结构更利于热量散发,并且它的定子可以不需要铁心;(2)径向磁通电机定转子之间受力比较均衡,磁路由硅钢片叠压得到,技术更简单成熟。
轮毂电机的电机类型分为永磁、感应、开关磁阻式。其特点如下: (1)感应(异步)电机结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠,转矩脉动小,噪声低,不需要位置传感器,转速极限高;缺点是驱动电路复杂,成本高,相对永磁电机而言,异步电机效率和功率密度偏低;
(2)无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构,具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围,发展前景十分广阔,已在国内外多种电动车辆中获得应用;
(3)开关磁阻式电机具有结构简单,制造成本低廉,转速/转矩特性好等特点,适用于电动汽车驱动;缺点是设计和控制非常困难和精细,运行噪声大。
5 国内外典型轮毂电机驱动系统 日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中,一直以基于轮毂电机的全轮驱动电动汽车为研究对象,至今已试制了五种不同型式的样车。其中,1991年与东京电力公司共同开发的电动汽车IZA,采用Ni-Cd电池为动力源,采用四个额定功率为6.8kw,峰值功率达到25kw的外转子式永磁同步轮毂电机驱动,最高时速可达176km/h。1996年,该小组联合日本国家环境研究所研制了采用轮毂电机驱动的后轮驱动电动汽车ECO,轮毂电机驱动系统选用永磁直流无刷电动机,额定功率为6.8kw,峰值功率为20kw,并配速比为1:5的行星齿轮减速机构。轮毂电机采用机械制动与电机再生制动相结合的方式,机械制动力矩由鼓式制动器提供,制动力分配规律的基本原则是不损害制动效能的前提下,尽可能多的回收制动能量,有效延长了续驶里程。2001年,最新推出了以锂电池为动力源,采用8个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动大轿车KAZ,最高时速达到311km/h。KAZ的轮毂电机系统中采用高转速的高性能内转子型电动机,其峰值功率可达55kw,提高了KAZ的极限加速能力,使其0-100km/h加速时间仅8秒。为了使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求,KAZ的轮毂电机系统匹配了一个传动比为4.588的行星齿轮减速机构。KAZ的前后轮没有采用相同型式的制动器,而是前轮采用盘式制动器,后轮采用鼓式制动器。图5为KAZ的前、后轮毂电机系统的结构图。2003年日本丰田汽车公司在东京车展上推出的燃料电池概念车FINE-N也采用了轮毂电机驱动技术。
图5 KAZ一体化轮毂电机系统 法国TM4公司设计制造的一体化轮毂电机结构如图6所示。它采用外转子式永磁电动机,将电动机转子外壳直接与轮辋相固结,将电动机外壳作为车轮轮辋的组成部分,而且电动机转子与鼓式制动器的制动鼓集成在一起,实现电机转子、轮辋以及制动器三个回转运动物体的集成,大大减轻一体化轮毂电机系统质量,集成化程度相当高。该一体化轮毂电机系统的永磁无刷直流电动机的额定功率为18.5kw,峰值功率可达到80kw,峰值扭矩为670Nm,额定转速为950rpm,最高转速为1385rpm,而且额定工况下的平均效率可达到96.3%。
哈尔滨工业大学爱英斯电动汽车研究所研制开发的EV96-1型电动汽车也采用外转子型轮毂电机驱动系统,选用一种称为“多态电动机”的永磁式电动机,兼有同步电动机和异步电动机的双重特性,其额定功率为6.8kw,峰值功率为15kw,集成盘式制