[5]新能源電動汽車用輪電機修理轂西瑪電機關(guān)鍵技術(shù)綜述

時間：2020-03-17 10:22

新能源電動汽車用輪轂電機     關(guān)鍵技術(shù)綜述     黃書榮  邢棟  徐偉 【摘要】       本文首先介紹了輪轂電機驅(qū)動電動汽車與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電動車的異同點，總結(jié)出關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點。然后，論文著重論述了不同種類輪轂電機的技術(shù)特點、發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題等。最后，文章分析和預測了未來輪轂電機的發(fā)展趨勢和潛在的市場價值。 【關(guān)鍵詞】       電動汽車; 輪轂電機; 發(fā)展現(xiàn)狀; 發(fā)展趨勢 【文獻出處】       黃書榮，邢棟，徐偉. 新能源電動汽車用輪轂電機關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].新型工業(yè)化，2015,5(2):27-32 【基金支持】       國家自然科學基金（61301035） 湖北省科技支撐計劃（XYJ2014000314） 華中科技大學自主創(chuàng)新研究基（2014TS149） 0       引言         “   隨著煤、石油、天然氣等化石能源的不斷消耗和環(huán)境狀況的不斷惡化，無污染，噪聲低且不依賴化石能源的電動汽車逐漸成為汽車行業(yè)重要的發(fā)展趨勢。近年來，世界各國紛紛將電動汽車作為科研攻關(guān)的熱點。在電動汽車的各種驅(qū)動方式中，輪轂電機驅(qū)動方式因其傳輸效率高、控制靈活等獨到的優(yōu)點，逐漸受到業(yè)內(nèi)人士的青睞，未來發(fā)展空間巨大[1] ,[2]。
  1       各種電動汽車驅(qū)動方式及特點     傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的驅(qū)動系統(tǒng)由發(fā)動機-變速器-傳動軸-差速器-車輪等部件構(gòu)成。發(fā)動機體積龐大、笨重，噪聲很大，消耗汽油、柴油、天然氣等化石能源，加劇環(huán)境污染；復雜的機械傳動系統(tǒng)導致能源利用效率降低，底盤結(jié)構(gòu)復雜，減少了汽車的乘用空間[3]。 電動汽車按照驅(qū)動方式的不同，分為集中電機驅(qū)動、輪邊電機驅(qū)動和輪轂電機驅(qū)動。其中             集中電機驅(qū)動電動汽車由內(nèi)燃機汽車直接演變而來，即用電動機直接取代或輔助內(nèi)燃機，其他部件基本不變，在技術(shù)上相對簡單。但是由于這種方式?jīng)]有改變原有的機械傳動系統(tǒng)，不必要的能源損耗依然非?？捎^，再加上現(xiàn)有的電池容量有限，汽車的續(xù)航里程將受到顯著影響。另外，由于電動機不便帶動液壓泵等輔助裝置，會給汽車的制動帶來麻煩。綜上原因，現(xiàn)在的電動汽車基本上不采用集中電機驅(qū)動，而采后兩種驅(qū)動方式。 輪邊電機驅(qū)動是指電動機與固定速比減速器制成一體安裝在車架上，減速器的輸出軸通過萬向節(jié)與車輪半軸相連，從而驅(qū)動車輪。由于技術(shù)上比較簡單，輪邊電機驅(qū)動在目前的電動汽車中有廣泛的應(yīng)用，其中電動汽車領(lǐng)跑者Tesla的唯一一款在售車型Model S采用的就是輪邊電機驅(qū)動方式。 輪轂電機（又叫電動輪）             驅(qū)動方式是將動力、傳動以及制動裝置全部整合在輪轂內(nèi)，這樣就省去了離合器、變速器、傳動軸、差速器等大量機械部件，使車輛結(jié)構(gòu)大為簡化，車輛噪聲極低，整車質(zhì)量減輕，不僅提高了能源利用效率，增加了汽車的乘用空間，也為實現(xiàn)底盤系統(tǒng)的電子化、智能化提供了保證。輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)布置非常靈活，在同樣功率需求的情況下可采用多電動輪驅(qū)動的形式，將功率分配給多個電動機從而降低電氣和機械傳動部件的要求。輪轂電機驅(qū)動只需通過控制系統(tǒng)控制電機就可以完成對車輪驅(qū)動力的控制，電動機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，使用全輪驅(qū)動和驅(qū)動輪單獨控制的措施，可以最大限度的利用地面的附著能力，同時還可以提高車輛的離地間隙，從而提高越野車輛的通過性能。輪轂電機驅(qū)動便于采用線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，有效減小轉(zhuǎn)向半徑，甚至實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向，提高轉(zhuǎn)向性能。另外，輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)可實現(xiàn)再生制動功能，提高能源利用效率，有效提高汽車的續(xù)航里程。但輪轂電機的采用必將增加非簧載質(zhì)量，進而影響車輛運行的平穩(wěn)性和可操縱性，另外由于輪轂電機工作環(huán)境極其惡劣，需要經(jīng)受震動、涉水、高溫等極端工況的考驗，所以對技術(shù)水平和生產(chǎn)工藝都提出了近乎嚴苛的要求。由于以上特點，輪轂電機被視為電動汽車的最終驅(qū)動方式，也是現(xiàn)階段電動汽車研究的熱點和難點之一[3]。
  2       輪轂電機的驅(qū)動方式     輪轂電機按照驅(qū)動方式又可分為減速驅(qū)動和直接驅(qū)動兩種方式。 減速驅(qū)動時，電機多采用內(nèi)轉(zhuǎn)子形式，一般運行在高速狀態(tài)，減速裝置放在電機和車輪之間，起到減速和提升轉(zhuǎn)矩的作用。其中，減速裝置可以是傳統(tǒng)的行星齒輪機械減速方式，也可以是磁齒輪減速方式[4]。減速驅(qū)動的優(yōu)點是：電機運行在高轉(zhuǎn)速下，具有較高的比功率和效率；體積小，在低速運行狀態(tài)下可以提供較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，爬坡性能好。缺點是：對于機械齒輪減速方式，故障率高，齒輪磨損快，壽命短，不易散熱，噪聲較大；對于磁齒輪減速方式，目前由于技術(shù)尚不成熟，制造困難，運行可靠性較低。減速驅(qū)動方式適用于過載能力較大的場合。采用減速驅(qū)動方式的輪轂電機如圖1(a)所示。 直接驅(qū)動時，電機多采用外轉(zhuǎn)子形式。其優(yōu)點主要有：不需要減速機構(gòu)，動態(tài)響應(yīng)快，效率進一步提高，軸向尺寸減小，整個驅(qū)動輪更加簡單、緊湊，維護費用低。缺點是：體積和質(zhì)量較大，成本高；高轉(zhuǎn)矩下的大電流容易損壞電池和永磁體；電機效率峰值區(qū)域減小，負載電流超過一定值后效率急劇下降[5], [6]。直接驅(qū)動方式適用于負載較輕，一般不會出現(xiàn)過載情況的場合下。采用直接驅(qū)動方式的輪轂電機如圖1(b)所示。 #p#分頁標題#e#

  3       不同種類輪轂電機的技術(shù)特點     為滿足電動汽車的工作要求，驅(qū)動電機應(yīng)具有以下特點：在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)具有高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速，在恒功率區(qū)具有高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩；具有較寬的調(diào)速范圍，較高轉(zhuǎn)矩密度，足夠大的啟動扭矩；體積小、重量輕；效率高，具有強動態(tài)制動及能量回饋特性等。常見的直流電機、異步電機、永磁無刷直流電機、永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機、橫向磁通電機都可以作為輪轂電機。各種電機具有不同的技術(shù)特點，下面分別介紹。 3.1直流電機       直流電機控制簡單，控制技術(shù)成熟，一般通過電樞控制和弱磁控制來控制轉(zhuǎn)速，為滿足電動汽車運行要求，通常在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)采用電樞控制以得到較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，在恒功率區(qū)采用弱磁控制以得到較高轉(zhuǎn)速。但直流電機利用電刷實現(xiàn)機械換向，電刷磨損很快，需要經(jīng)常維護，換向火花的存在限制了電機的高速運行，且電機體積大，制造成本高[7]。所以新研制的輪轂電機大都不采用直流電機。 3.2異步電機       異步電機結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，成本低廉，運行可靠，轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲低，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高[15]。但是異步電機也存在諸多問題，比如轉(zhuǎn)差率的存在使調(diào)速性能較差；驅(qū)動電路復雜，成本高；相對永磁機而言，效率和功率密度偏低。所以不太適用于電動汽車的輪轂電機。 3.3永磁無刷直流電機       永磁無刷直流電動機利用電子換向器代替直流電機的機械換向器，通過電子換向裝置產(chǎn)生正負交變的平頂波驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，調(diào)速性能和直流電機類似，運行可靠，維護方便，沒有勵磁損耗，效率和功率密度都較高[8], [16]。因此，永磁無刷直流電機已經(jīng)成為電動汽車輪轂電機的主流電機。 3.4永磁同步電機       永磁同步電機在結(jié)構(gòu)上與永磁無刷直流電機類似，只是它通過正弦波驅(qū)動。根據(jù)轉(zhuǎn)子上永磁體安裝方式的不同，一般可以分為表面式和內(nèi)置式，其中表面式適用于低速電機，內(nèi)置式適用于高速電機。相對于無刷直流電機，永磁同步電機具有低噪聲，大功率密度，小轉(zhuǎn)動慣量，高控制精度等優(yōu)勢，并且可以實現(xiàn)弱磁調(diào)速，提高恒功率運行的范圍[9] ,[10]，特別適合作為電動汽車用輪轂電機。 永磁同步電機基于三相交流電供電工作，其數(shù)學模型比較復雜，控制方法也非常復雜。常用的控制方法有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制[12] ,[16]。 3.5開關(guān)磁阻電機       開關(guān)磁阻電機近年來發(fā)展成為輪轂電機，其定子和轉(zhuǎn)子均采用凸極結(jié)構(gòu)。定轉(zhuǎn)子極數(shù)不相同，主要有兩種組合形式：定子6極，轉(zhuǎn)子4極的三相開關(guān)磁阻電機和定子8極，轉(zhuǎn)子6極的四相開關(guān)磁阻電機。開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子上既沒有繞組也沒有永磁體，只在定子上裝有集中勵磁繞組，由變頻電源為定子集中勵磁繞組提供交變電流使其工作在開關(guān)模式下。開關(guān)磁阻電機功率裝換效率很高，功率密度大，啟動電流小，結(jié)構(gòu)簡單，且調(diào)速范圍寬，控制簡單，在輪轂電機家族中具有很強的競爭力。但是由于電機運行在開關(guān)模式下，電流波動大，會產(chǎn)生較大的噪聲和振動，為保證其正常工作需要安裝電流檢測器和位置檢測器[11], [12]。 3.6橫向磁通電機       橫向磁通電機相對于其他種類的電機有許多突出的優(yōu)勢：實現(xiàn)了電路和磁路的解耦，設(shè)計自由度大大提高；效率和轉(zhuǎn)矩密度特別高，適合運行在低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的場合下；繞組形式簡單，不存在傳統(tǒng)電機繞組的端部；各相之間相互獨立；驅(qū)動電路和永磁無刷直流電機相同，可控性好。但其也存在許多缺點：永磁體數(shù)目多，用量大；結(jié)構(gòu)復雜，工藝要求高，成本高；漏磁嚴重；功率因數(shù)低；自定位轉(zhuǎn)矩較大等[13], [14]。
  4       國內(nèi)外輪轂電機的發(fā)展現(xiàn)狀     20世紀50年代，美國人羅伯特最早發(fā)明了集電動機、減速機構(gòu)、制動機構(gòu)于一體的輪轂裝置，1968年通用電氣公司將其推廣應(yīng)用到大型礦山運輸車輛上。 目前，日本在輪轂電機領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位：自1991年開始，日本慶應(yīng)義塾大學的清水浩教授帶領(lǐng)其研究團隊陸續(xù)研制出了IZA、ECO、KAZ等電動汽車。其中，IZA電動汽車由4個外轉(zhuǎn)子式永磁同步電機驅(qū)動，額定功率為6.8kW，峰值功率達到25kW，最高車速為176km/h。ECO電動汽車由兩個永磁無刷直流輪轂電機后置驅(qū)動，并配以行星齒輪減速機構(gòu)，額定功率為6.8kW，峰值功率為20kW。KAZ電動汽車采用8個大功率交流同步輪轂電機獨立驅(qū)動，峰值功率達到55kW，最高車速達到驚人的311km/h，0~100km/h加速時間為8s。2003年，普利司通公司在東京車展上展示了獨立開發(fā)的輪轂電機與專用地滾動阻力輪胎匹配的動態(tài)吸振型電動輪，輪內(nèi)采用外轉(zhuǎn)子永磁同步電機。2011年3月，清水浩教授組建的“SIM-DRIVE”公司對外宣布，該公司研發(fā)的輪轂電機電動汽車性能及功率已達到世界最高水平，1號試驗車“SIM-LEI”一次充電的續(xù)航里程可達333km，0~100km/h加速時間為4.8s，最高時速可達150km/h[7]。豐田汽車推出的普銳斯混合動力汽車以及其他概念車多采用輪邊電機驅(qū)動。 2003年，通用汽車將輪轂電機成功應(yīng)用到雪佛蘭S-10皮卡車上，該電機給車輪增加的重量約為15kg，電機功率約為25kW，產(chǎn)生的扭矩比普通雪佛蘭S-10皮卡車高出60%。2005年通用汽車推出的燃料電池汽車后輪采用輪轂電機驅(qū)動，前輪則采用集中單電機驅(qū)動，電機總功率達110kW，續(xù)航里程達500km。有消息稱，Tesla的下一代電動汽車也可能采用輪轂電機技術(shù)[17]。 法國TM4公司設(shè)計的輪轂電機采用外轉(zhuǎn)子式永磁電動機，將電動機外殼集成為鼓式制動器的制動鼓作為車輪的組成部分，集成化設(shè)計程度非常高，額定功率為18.5kW，峰值功率達80kW，額定轉(zhuǎn)速為950r/min，最高轉(zhuǎn)速為1385r/min。額定工況下的平均效率可達96.3%。2008年巴黎車展上Venturi公司研發(fā)的概念版四輪驅(qū)動跑車“Venturi Volage”使用了米其林公司的輪轂電機（如圖2所示）。除此之外，德國的西門子公司、舍弗勒公司都推出了自己的輪轂電機技術(shù)。 2009年法蘭克福車展上，第一輛純電能驅(qū)動的奧迪跑車e-tron與公眾見面，這款車配備四個獨立的輪轂電機實現(xiàn)四輪驅(qū)動，0~100km/h加速時間為4.8s，續(xù)航里程為248km[18]。寶馬公司的MINI COOPER采用四個PML公司生產(chǎn)的輪轂電機，動力源為小排量汽油發(fā)動機加電池和超級電容器，最高時速150km/h。0~60km/h加速時間為4.5s。 英國的Protean Electrics公司是一家專門生產(chǎn)輪轂電機的廠商，被稱為全球輪轂電機研發(fā)和商業(yè)化的領(lǐng)導者，其生產(chǎn)的ProteanDriveTM輪轂電機（如圖3所示）功率和扭矩分別可達75kW和1000N*m，而重量僅為31kg，可安裝在直徑為18~24英寸的常規(guī)車輪中，并且還有杰出的再生制動功能，在剎車過程中可回收高達85%的可用動能。Protean Electrics公司已與多家整車制造廠商開展合作，比如基于奔馳E級改裝的純電動和混合動力汽車就采用了該公司的輪轂電機[19]。 #p#分頁標題#e#

圖2             米其林主動輪系統(tǒng)       #p#分頁標題#e#

圖3             ProteanDriveTM輪轂電機       我國對輪轂電機技術(shù)的研究起步較晚，但隨著國家“863”計劃電動汽車重大專項課題的推進，各科研單位對該技術(shù)的研究不斷加強。同濟大學汽車工程學院分別在2002年、2003年和2004年研制的三代“春暉”系列電動汽車均采用了低速永磁無刷直流輪轂電機。比亞迪公司在2004年車展上展出的“ET”概念車也采用了四個功率為25kW的輪轂電機，最高時速165km，續(xù)航里程為350km。另外，清華大學、吉林大學、華中科技大學等高校也積極開展輪轂電機技術(shù)的研究并取得了一定成果[20]。 目前輪轂電機技術(shù)除在大型礦山運輸車上有廣泛應(yīng)用外，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于研究、試驗階段，技術(shù)尚不成熟，生產(chǎn)成本依然很高，在大規(guī)模推廣應(yīng)用之前仍然有很長的一段路要走。
  5       輪轂電機發(fā)展展望     下一階段，輪轂電機的研發(fā)將致力于以下幾個方面：             一是提高調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩的變化范圍，適應(yīng)汽車在不同工況下的運行需求；二是提高功率密度和能源利用效率，降低電機重量；三是解決電動機在密封、冷卻和抗振方面的問題，提高運行可靠性。在基于不同電機類型的輪轂電機中，永磁電機由于其獨特的優(yōu)勢將繼續(xù)得到更大的發(fā)展[5]。大型客車應(yīng)用輪轂電機技術(shù)日趨增多，其車輪直徑較轎車更大，轉(zhuǎn)速更低，輪轂電機內(nèi)部布置更為方便。隨著動力電池、電子控制系統(tǒng)和整車能源管理系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的突破，輪轂電機技術(shù)必將在電動汽車上得到廣泛應(yīng)用。另外，像諸如蘋果、谷歌、樂視等攪局者不斷加入電動汽車領(lǐng)域，也正在給汽車領(lǐng)域和輪轂電機的發(fā)展注入新的活力。
  6       結(jié)論     輪轂電機結(jié)構(gòu)緊湊，它顛覆了傳統(tǒng)汽車的動力系統(tǒng)，非常有利于整車布置。輪轂電機使車輛的動力分配和轉(zhuǎn)向變得非常靈活，可以大大改善汽車的運行性能。但是輪轂電機技術(shù)在汽車上的應(yīng)用仍然面臨許多問題。輪轂電機的研究仍然被日本和西方發(fā)達國家所主導，我國在這一領(lǐng)域的研究還很有限，應(yīng)該加大支持力度，廣泛開展國際合作，努力迎頭趕上。 （編輯：葉才勇，劉毅）

 

      作者簡介       徐偉       工學博士，教授，博士生導師。 分別從天津大學獲雙學士和碩士、中國科學院電工研究所獲博士學位。先后在悉尼科技大學（UTS）和皇家墨爾本理工大學（RMIT）從事博士后、Vice Chancellor Research Fellow工作，同時受邀到明治大學 (Meiji University)和澳大利亞電動汽車工程聯(lián)盟(Australian EV Engineering)進行學術(shù)訪問和產(chǎn)品研發(fā)。先后在澳大利亞、日本、中國主持各類科研/人才基金20余項，包括中國國家自然科學基金2項，國家基金1項，日本JSPS訪問基金1項，墨爾本理工大學Vice Chancellor基金1項等；參與各類基金4項，包括國家自然科學基金重點項目1項、中國科學院重大知識創(chuàng)新項目1項等。截止2016年9月底，出版英文專著1部（Springer出版社），接受或發(fā)表SCI/ EI檢索文章150余篇，其中SCI期刊近60篇，第一或通訊作者SCI文章20余篇。授權(quán)中國發(fā)明專利12項，受理25項。受邀國際會議報告4次，參與組織國際會議5次，擔任10余個國際期刊審稿人, 30余次IEEE國際會議技術(shù)程序委員或分會主席。擔任IEEE/中國電源學會高級會員，中國電機工程學會會員，中國變頻器專業(yè)委員會委員，中國直線電機專業(yè)委員會委員，中國能源學會專家委員會委員等，2個國際期刊客座編輯，1個中文期刊編委。獲得各類學術(shù)榮譽10余項，包括UTS Key Technology Partnership Visiting Fellowship (Australia), RMIT Vice Chancellor Research Fellowship (Australia), JSPS Invitation Research Fellowship (Japan)，計劃（中國）等。 其他作者       黃書榮       高級工程師，碩士。研究方向：新能源規(guī)劃。 邢棟       研究生。研究方向：電動汽車驅(qū)動電機研究。 編輯簡介       葉才勇       副教授，博士生導師。研究方向為新型電機設(shè)計及應(yīng)用、特種電磁裝置設(shè)計及控制。發(fā)表論文40余篇（SCI收錄20余篇），主持各類10余項基金，包括國家自然科學基金2項，申請/授權(quán)專利近10余項。 劉毅       博士后，研究方向為高性能電機控制策略。發(fā)表論文10余篇，申請/授權(quán)專利近10項。

西瑪z4電機(西瑪電機質(zhì)量怎么樣)

西瑪電機碳刷(西瑪電機碳刷更換視頻)

西瑪電機銷售電話(西瑪電機待遇怎么樣)

高效電機(高效電機節(jié)電率計算)

西瑪電機滑環(huán)(電機滑環(huán)有麻點)

隨機標簽： 西安西瑪電機電話 西安電機廠 西瑪電機滑環(huán) 高壓電機廠家 電機生產(chǎn)廠家 高壓電機的大修 西瑪JR電機 西瑪電機端蓋 西瑪ykk電機 西瑪電機電話