輪轂電機(jī)技術(shù)解讀及爆炸圖

輪轂電機(jī)技術(shù)并非新興技術(shù)。早在1900年，保時捷就率先制造了裝備有輪轂電機(jī)的前輪驅(qū)動電動汽車。在20世紀(jì)70年代，輪轂電機(jī)技術(shù)開始在礦山運輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。對于乘用車所使用的輪轂電機(jī)技術(shù)，日本汽車制造商在該領(lǐng)域的研發(fā)工作較早，并處于領(lǐng)先地位。國際汽車巨頭如通用、豐田等也開始涉足該技術(shù)領(lǐng)域。同時，國內(nèi)也有自主品牌汽車制造商開始研發(fā)輪轂電機(jī)技術(shù)。例如，在2011年上海車展上展出的瑞麒X1增程電動車就采用了輪轂電機(jī)技術(shù)。本文將通過簡單易懂的圖解方式進(jìn)一步闡述輪轂電機(jī)技術(shù)。

01  輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的型式主要分為兩種結(jié)構(gòu)類型：內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式

外轉(zhuǎn)子式采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，其最高轉(zhuǎn)速在1000-1500r/min之間，無需減速裝置，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同。

而內(nèi)轉(zhuǎn)子式則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，配備固定傳動比的減速器。為了實現(xiàn)較高的功率密度，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以高達(dá)10000r/min。

隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)在功率密度方面表現(xiàn)更具競爭力，相較于低速外轉(zhuǎn)子式。

輪轂電機(jī)還可以根據(jù)電機(jī)類型分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)。然而，由于有刷電機(jī)的效率較低，車輛使用中逐漸被淘汰。

此外，輪轂電機(jī)還可分為帶傳感器和無傳感器兩種類型。一些電動自行車需要進(jìn)行一定的踩踏才能運行，因為它們沒有傳感器。這些自行車直接通過測量電機(jī)的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子的位置，從而進(jìn)行換相。而啟動前需要了解轉(zhuǎn)子和定子的相對位置，則需要使用傳感器。

輪轂電機(jī)可以根據(jù)是否采用齒輪和離合機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類

對于為了防止磁鋼退磁而減小啟動電流的電機(jī)，通常需要使用減速齒輪來提高啟動效率。然而，隨著磁鋼材料的改進(jìn)，不一定需要使用齒輪。

輪轂電機(jī)還可以分為有離合機(jī)構(gòu)和無離合機(jī)構(gòu)兩種類型

另外，還有一種特殊類型的輪轂電機(jī)稱為變磁阻輪轂電機(jī)。

在使用輪轂電機(jī)的電動自行車中，如果沒有電力輔助，會有電磁阻力存在。為了減小電磁阻力，可以采用離合機(jī)構(gòu)。離合機(jī)構(gòu)還可以用于調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn)速比。朱幕松的磁力手動齒輪離合高速無刷輪轂電機(jī)利用電機(jī)磁力復(fù)位實現(xiàn)齒輪的手動嚙合。

輪轂電機(jī)還可以根據(jù)其高速和低速特性進(jìn)行分類

高速無刷輪轂電機(jī)具有輕量化、結(jié)構(gòu)簡單、噪音低以及高功率的特點。而低速無刷輪轂電機(jī)則具有簡單的結(jié)構(gòu)、低噪音和較大的功率。此外，輪轂驅(qū)動電機(jī)還廣泛應(yīng)用于其他電動汽車等領(lǐng)域。

輪轂電機(jī)的構(gòu)造：

輪轂電機(jī)的原理：

在無刷電機(jī)中，啟動前需要了解轉(zhuǎn)子和定子的相對位置，這可以通過傳感器實現(xiàn)。傳感器測量電機(jī)的反電動勢，從而確定轉(zhuǎn)子的位置，并由控制器驅(qū)動功率管進(jìn)行換相操作。

盡管存儲器可以記錄定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，但對于轉(zhuǎn)速非常緩慢的系統(tǒng)，無法準(zhǔn)確理解電機(jī)繞組反電動勢的波形。當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時，由于慣性的限制，波峰和波谷都代表一定的角度，當(dāng)剎車時，電機(jī)會被關(guān)閉。因此，在輪轂電機(jī)中，使用磁傳感器是主流方式。在輪轂電機(jī)的原理圖中，紅色磁鋼轉(zhuǎn)子處于死角位置，需要通過藍(lán)色磁鋼轉(zhuǎn)子上方的繞組通電，使其脫離死角。而在圖2中的電機(jī)則沒有死角，只要知道轉(zhuǎn)子的位置，就可以確定如何驅(qū)動功率管。

圖1和圖2所示的電機(jī)看起來像是將直線電機(jī)卷起來。繞組通電的過程可以比喻為用食物引誘著驢子（磁鋼）不停地跑，但它們總是保持一定的距離。這種電機(jī)具有較大的功率，相對較重，結(jié)構(gòu)簡單且噪音低。

磁力手動齒輪離合高速無刷輪轂電機(jī)利用三個大而薄的2模鋼齒輪減速來提供所需的動力。當(dāng)需要滑行時，通過偏心離合手柄拉動軸心離合傳動的軸、活塞和拉鉤，使電機(jī)齒輪外轉(zhuǎn)子端蓋發(fā)生位移，使電機(jī)齒輪與傳動齒輪分離。而在不需要滑行時，利用電機(jī)磁力復(fù)位實現(xiàn)齒輪的手動嚙合，從而簡化了離合機(jī)構(gòu)，不需要超越離合器。

為了防止電機(jī)將熱量傳遞給輪胎，需要在它們之間保持一定的距離，并且有些情況下會使用鋼絲來隔離，以幫助散熱。

輪轂電機(jī)具有以下優(yōu)點：

簡化車輛結(jié)構(gòu)：應(yīng)用輪轂電機(jī)可以大大簡化車輛的結(jié)構(gòu)，省略了傳統(tǒng)的離合器、變速箱、傳動軸等傳動部件，使車輛結(jié)構(gòu)更為簡單。這也帶來了更高的空間利用率。

提高傳動效率：傳統(tǒng)車輛的傳動系統(tǒng)存在能量損耗和傳動效率低的問題，而輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛可以獲得更高的傳動效率，減少能量損失。

實現(xiàn)多種驅(qū)動方式：輪轂電機(jī)可以實現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動方式。由于每個輪胎都是單獨驅(qū)動的，容易實現(xiàn)四驅(qū)形式。同時，輪轂電機(jī)技術(shù)還可以實現(xiàn)兩側(cè)車輪反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向的目的。對于特種車輛，如多輪車輛，輪轂電機(jī)也是一種理想的解決方案。

實現(xiàn)靈活的驅(qū)動形式：由于輪轂電機(jī)具備單個車輪獨立驅(qū)動的特性，可以輕松實現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)和四驅(qū)形式。全時四驅(qū)在輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛上實現(xiàn)起來非常容易。此外，輪轂電機(jī)還可以通過左右車輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)類似履帶式車輛的差動轉(zhuǎn)向，從而大大減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑。

適用于多種新能源車技術(shù)：輪轂電機(jī)驅(qū)動便于采用多種新能源車技術(shù)。不論是純電動車、燃料電池電動車還是增程電動車，都可以采用輪轂電機(jī)作為主要驅(qū)動力。對于混合動力車型，輪轂電機(jī)也可以作為起步或急加速時的助力。此外，輪轂電機(jī)驅(qū)動車型還可以輕松實現(xiàn)制動能量回收等新能源車技術(shù)。

輪轂電機(jī)的缺點包括以下幾個方面：

增加簧下質(zhì)量和輪轂的轉(zhuǎn)動慣量，對車輛操控產(chǎn)生影響：輪轂電機(jī)需要安裝在車輪內(nèi)部，這導(dǎo)致了車輛的簧下質(zhì)量增加，不利于操控性能。此外，輪轂電機(jī)的裝置還會增加輪轂的轉(zhuǎn)動慣量，進(jìn)一步影響車輛的操控靈活性。尤其對于追求動力性能的車輛而言，這一點可能更加顯著。

電制動性能有限，消耗較多電能：輪轂電機(jī)的電渦流制動容量有限，特別是在重型車輛上，需要與機(jī)械制動系統(tǒng)共同工作。為了獲得更高的制動效果，需要消耗更多的電能，這對電動車的續(xù)航里程產(chǎn)生一定影響。雖然再生制動可以回收部分能量，但制動系統(tǒng)的能量消耗仍然是影響電動車?yán)m(xù)航里程的重要因素之一。

需要額外的機(jī)械制動系統(tǒng)：由于輪轂電機(jī)系統(tǒng)的電制動容量較小，不能滿足整車制動性能的要求，所以輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛通常需要配備附加的機(jī)械制動系統(tǒng)。對于普通電動乘用車而言，由于沒有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)帶動的真空泵，剎車助力需要依靠電動真空泵，這意味著更大的能量消耗。雖然再生制動可以回收一些能量，但為確保制動系統(tǒng)效能，制動系統(tǒng)的能量消耗仍然是考慮電動車?yán)m(xù)航里程的重要因素之一。

環(huán)境適應(yīng)性要求高：輪轂電機(jī)工作在惡劣的環(huán)境中，面臨水、灰塵等多種不利影響。因此，對于輪轂電機(jī)的密封性能有較高的要求。此外，在設(shè)計上還需要專門考慮輪轂電機(jī)的散熱問題，以確保電機(jī)的正常運行。

02  總結(jié)

輪轂電機(jī)是一項具有很好優(yōu)勢的技術(shù)，可以節(jié)省空間并提高傳動效率，因此是新能源汽車發(fā)展的有利方向。然而，目前輪轂電機(jī)仍存在一些問題需要解決。這些問題包括復(fù)雜的車輪工作環(huán)境、耐久性的保證、高速行駛時的震動和噪音問題，以及制動和懸架系統(tǒng)的優(yōu)化等。工程師們需要逐步解決這些問題，以進(jìn)一步推動輪轂電機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

來源：  麥格雷博 磁能產(chǎn)業(yè)專家