電動汽車輪轂電機技術(shù)又稱為車輪內(nèi)裝式電機技術(shù),是一種將電機、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置技術(shù)。輪轂電機可采用永磁無刷、直流無刷、開關(guān)磁阻等電機類型,由于電機處于車輪輪轂內(nèi),受體積限制,一般要求電機為扁形結(jié)構(gòu),即電機短而粗。
圖示:電動汽車輪轂電機系統(tǒng)示意圖
電動汽車輪轂電機動力系統(tǒng)的電機類型有永磁、感應(yīng)、開關(guān)磁阻式等,通常由電動汽車電機、減速機構(gòu)、制動器與散熱系統(tǒng)等組成。
輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子形式主要分成兩種結(jié)構(gòu)形式:內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式。內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機,配備固定傳動比的減速器,電機的轉(zhuǎn)速通常高達10000r/min。外轉(zhuǎn)子式輪轂電機則采用低速外轉(zhuǎn)子電機,無減速裝置,電機的外轉(zhuǎn)子與車輪的輪輞固定或者集成在一起,車輪的轉(zhuǎn)速與電機相同,電機的最高轉(zhuǎn)速在1000~1500r/min之間,如下圖所示。
圖示:輪轂電機結(jié)構(gòu)示意圖
內(nèi)轉(zhuǎn)子式的輪轂電機具有比功率較高、質(zhì)量輕、體積小、噪聲小、成本低等優(yōu)點。其缺點是必須采用減速裝置,使效率降低,非簧載質(zhì)量增大,電機的最高轉(zhuǎn)速受到線圈損耗、摩擦損耗以及變速機構(gòu)的承受能力等因素的限制。
外轉(zhuǎn)子式輪轂電機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、軸向尺寸小,能在很寬的速度范圍內(nèi)控制轉(zhuǎn)矩,且響應(yīng)速度快,沒有減速機構(gòu),因而效率高。其缺點是要獲得較大的轉(zhuǎn)矩,必須增大電機的體積和質(zhì)量,因而其成本高。這兩種結(jié)構(gòu)在目前的電動汽車中都有應(yīng)用,但是隨著緊湊的行星齒輪變速機構(gòu)的出現(xiàn),高速內(nèi)轉(zhuǎn)子式驅(qū)動系統(tǒng)在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競爭力。
電動汽車輪轂電機使用時可分為減速驅(qū)動和直接驅(qū)動兩大類。
在減速驅(qū)動方式下,電機一般在高速下運行,而且對電機的其他性能沒有特殊要求,因此可選用普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機。減速機構(gòu)放置在電機和車輪之間,起減速和增加轉(zhuǎn)矩的作用。減速驅(qū)動的優(yōu)點是:電機運行在高速下,具有較高的功率和效率比:體積小、重量輕;扭矩大、爬坡性能好;能保證汽車在低速運行時獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩:不足之處是:難以實現(xiàn)液態(tài)潤滑、齒輪磨損較快、使用壽命短、不易散熱、噪聲大。減速驅(qū)動方式適合于丘陵或山區(qū),以及要求過載能力大或城區(qū)公交車等需要頻繁起動停車等場合。
在直接驅(qū)動方式下,電機多采用外轉(zhuǎn)子(即直接將轉(zhuǎn)子安裝在輪轂上)。為了使汽車能順利起步,要求電機在低速時能提供大的轉(zhuǎn)矩。此外,為了使電動汽車能夠有較好的動力性,電機需具有較寬的調(diào)速范圍。直接驅(qū)動的優(yōu)點有:不需要減速機構(gòu),使得整個驅(qū)動結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊,軸向尺寸也較小,而且效率也已進一步提高,響應(yīng)速度也變快。其缺點是:起步、迎風行駛或爬坡以及承載較大載荷時需要大電流,易損壞電池和永磁體;電機效率峰值區(qū)域很小,負荷電流超過一定值后效率急劇下降。此驅(qū)動方式適合用于平路或負荷較輕的場合。
電動汽車輪轂電機與車輪集成在一起,布置靈活,可以方便地實現(xiàn)前輪驅(qū)動、后輪驅(qū)動或者四輪驅(qū)動車。與內(nèi)燃機驅(qū)動系統(tǒng)或者集中驅(qū)動電動系統(tǒng)相比,輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)在動力源配置、底盤結(jié)構(gòu)等方面有其獨特的技術(shù)特征和優(yōu)勢,具體體現(xiàn)在以下幾方面:
1. 動力傳遞由硬連接改為軟連接形式,省略了傳統(tǒng)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,使得電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡潔、有效、可利用空間大;
2. 可以方便地通過電子線控技術(shù),實現(xiàn)各輪轂電機從零到最大速度的無級變速,以及各車輪之間的差速;
3. 各輪轂電機的驅(qū)動力直接獨立可控,使其動力學控制更為靈活、方便,能合理地控制各輪轂電機的驅(qū)動力,從而提高惡劣路面條件下的行駛性能;
4. 容易實現(xiàn)各輪轂電機的電氣制動、機電復(fù)合制動和制動能量回饋,提高能源利用效率。采用四輪驅(qū)動方式時,可以最大限度的回收制動能量;
5. 底架結(jié)構(gòu)大為簡化,可使整車總布置和車身造型設(shè)計的自由度大大增加。若采用動力平臺方式,將動力平臺嵌入不同的車身造型,方便地實現(xiàn)產(chǎn)品多樣化和系列化,縮短新車型的開發(fā)周期,降低開發(fā)成本;
6. 在采用輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)的四輪電動汽車上,若進一步引入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(4WS),則可以進一步提高整車的行駛性能。
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