輪轂電機驅動技術研究概況及發展

查建東

摘 要：在新能源汽車的電動驅動系統中，運用了輪轂電機驅動技術，這一技術應用對其起到了重要的推動作用。該文對輪轂電機驅動技術的國內外研究現狀進行了簡要的分析與闡述，進而對輪轂電機驅動技術的未來發展趨勢進行了展望與預測。

關鍵詞：輪轂電機；永磁同步電機；驅動系統

中圖分類號：TM384 文獻標志碼：A

1 輪轂電機驅動技術的研究現狀分析

在20世紀50年代初期，在美國進行了一項創造性的實踐探索與研究，不僅將車輪輪轂內置入了驅動電機和傳動裝置，而且還將制動系統也裝入其中，這就是現如今我們所見到的輪轂電機最初造型結構，后來經過不斷改進，20世紀60年代末，這種輪轂電機被首次用在了大型礦用自卸車上，使其初次具有了實用性應用效果。而在之后的幾十年當中，輪轂電機始終被應用于電動汽車領域，而其首次被應用于電動自行車上，則是在我國制造并實現的，這就是在1990年，最先由清華大學研制開發的半軸結構式高速有刷輪轂電機，與此同時，還將這種輪轂電機應用到了電動自行車上，以此來為電動自行車提供了完整的驅動系統。在此之后，還有無數的專家學者也對該項技術展開了更深層次的探究。尤其在進入20世紀90年代后，在輪轂電機為電動自行車提供驅動技術之時，其結構主要是內轉子結構，而隨著技術的不斷更新與成熟應用，逐漸有了外轉子結構的輪轂電機，而且這一技術已經成為當前的主流應用技術。這種輪轂電機最大的優點，就是結構簡單、性能穩定，而且具有較為寬泛的調速范圍，同時還沒有過多的噪聲產生，運行效率也極高。但它也存在一定的缺陷，那就是轉速較低，且過載能力較差，同時針對電磁設計也具有相當高的標準要求。隨著我國的電動自行車越來越多地使用直流有刷輪轂電機，而越來越少地使用交流異步輪轂電機，直至2000年以后，人們研發出了直流無刷輪轂電機，進而在2004年，隨著相關技術取得重大突破，直流無刷低速輪轂電機成了主流。逐步發展到近些年，在永磁材料和控制技術都取得了巨大進步的同時，永磁同步電機和開關磁阻電機等類型的輪轂電機問世。綜合上述分析可知，無論是車身結構的不斷改良，還是控制器和蓄電池技術的不斷發展，都使電動自行車行業的產業發展獲得了強大推動力，而輪轂電機技術作為以上技術的基礎，同時也是最關鍵的一項技術，也不斷擴大發展。現階段，輪轂電機的主要形式仍以直流有刷以及直流無刷為主，這2種電機結構不僅復雜，而且穩定性并不高，同時運行效率也無法令人滿意，使車輛的性能無法得到顯著提升；雖然永磁同步電機以及開關磁阻電機的各項性能都比較好，但因其在電動自行車領域的應用仍處在一個實驗階段，還有很多問題需要繼續改進。綜合上述內容，對輪轂電機研究的關鍵點總結如下：1）輪轂電機本體設計；2）電磁方案設計；3）過載能力；4）永磁材料；5）電機效率。

2 輪轂電機驅動技術的發展趨勢

2.1 輕量化

輪轂驅動式電動汽車的系統結構組成為輪轂電機和制動機以及輪轂和傳動等，通過尺寸優化和結構優化以及采用新型材料等方式達到系統結構的輕量化。輪轂電機則是借助功率密度的提高以及對電機結構的優化來實現輕量化。

2.2 一體化

基于能夠讓輪轂電機更好地應用于電動汽車，不僅需要對電動汽車底盤加以適當改造，而且還要對整個車的車懸架結構和相關參數進行改良，由此進一步實現輪轂電機和懸架的集成，并將簧載質量與非簧載質量調整到適當比例，制造出與輪轂電機適配的汽車底盤。研究如何使車輪和輪轂電機以及相關關鍵部件實現一體化，將是未來技術研究的重點。

2.3 輪轂電機冷卻技術

電動汽車需要在不同的工況下工作，而輪轂電機在車輪當中很容易因得不到充分的冷卻而造成電機熱量過高。在制動過程中制動器產生的大部分熱量會傳遞至電機，造成電機溫度升高，超過140℃永磁材料就會出現退磁現象，導致整車性能降低。因此，當前需要完善輪轂電機冷卻系統，以避免退磁現象的發生。

2.4 永磁材料退磁抑制技術

未來的輪轂電機將會以永磁輪轂電機為主導，這是因為其能量密度較大。溫度過高不僅會引起退磁現象，在高強度的運作過程中也會出現退磁現象，這是永磁材料的特性而引起的。因此，研發出耐沖擊能力強且耐振動能力強的永磁材料將會是未來的一大重要研究課題。

2.5 轉矩脈動抑制技術

由于輪轂電機在電磁和溫度以及應力等共同作用下，會導致轉矩脈動問題的產生，不僅需要及時地修正電機參數，而且還應將電機轉矩波動盡可能地調至最低，同時全面提升電機性能。輪轂電機驅動技術在汽車領域逐漸得到廣泛應用，因此，全面提高輪轂電機在不同工況下的性能將是未來的發展趨勢。

2.6 電子差速控制技術

輪轂電機驅動式電動汽車較比傳統的汽車少了機械傳動的部分，因此在車輛行駛過程中，一旦超出了限定車速就會失去穩定性。現階段，我國在電子差速控制技術方面的研究還處在初始階段，未來必須攻克這項技術的難關，使其能夠超越傳統機械差速器。

2.7 無傳感器控制技術

利用機械傳感器也能夠獲取準確的輪轂電機轉子的相關數據，然而這也使轉子的轉動慣量有了一定增加。同時，在條件惡劣的工況下工作時，還會使傳感器的靈敏度變差，而且安裝出現問題會造成換相誤差，不僅如此，還會使系統的成本變得更高，給維修工作也會造成很大的難度。因此，隨著無傳感控制技術的進步和發展，這項技術在未來將會得到廣泛應用。

2.8 協調控制技術

在汽車上，輪轂電機是在車身兩側對稱安裝的，這就需要兩側電機保持性能的一致，并且多個電機的轉矩能實現同步協調控制，以保證車輛在行駛過程中的安全和穩定。不僅如此，在行駛過程中，輪轂電機的振動加速度比較大，所以，為了盡可能地使其使用壽命達到最高限值，需要提高其耐用性。

2.9 智能化

現階段，智能網聯汽車技術得到了很好的發展，這也將進一步帶動新能源汽車對環境感知能力的智能化應用，而且還會促進控制算法的持續優化與完善。尤其在未來發展進程中，輪轂直驅式電動汽車還會逐步趨向于網聯化與智能化發展，甚至會進入無人化發展階段。輪轂電機驅動技術也將得到廣泛應用。

2.10 低成本化

輪轂電機在新能源汽車中的應用，使人們對傳統的汽車動力系統產生了顛覆性的認知，這是一種完全新型的驅動方式。經研究分析，輪轂電機使人們對驅動技術的未來發展產生了極大的希望，然而成本過高的問題目前還沒有得到有效的解決，這使輪轂驅動技術的大規模應用難以得到實現。所以，如果能解決輪轂驅動技術的成本過高的問題，這項技術的市場應用前景將極為可觀。

3 結語

輪轂電機驅動技術在汽車領域的應用，標志著新能源汽車在驅動系統方面的重要發展方向，能夠為純電動汽車產業貢獻巨大的價值。然而這項技術還有一些關鍵性的問題未得到解決，而且我國在這項技術上的發展仍然很落后。在未來，想要實現該項技術的商業化應用，就必須針對技術難題逐一攻克，這樣才能迎來廣闊的市場應用前景。

參考文獻

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