高功率密度盘式轮毂电机集成技术

日期:2020-02-12编辑作者:科技成果

  最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内,因此将电动车辆的机械部分大大简化。三相电机自锁早在1900年,就已经制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车,在20世纪70年代,这一技术在矿山运输车等领域得到应用。作为比较先进的驱动技术,国外有很多研究所和公司都对轮毂电机进行了专项研究,并已经开始将其应用到实际产品中。位于美国加州的通用汽车高级技术研发中心成功地将自行研制的轮毂电机应用到雪弗兰s210皮卡车中。该电机给车轮增加的重量只有约15kg,却可产生约25kW的功率,产生的扭矩比普通的雪弗兰s210四缸皮卡车高出60%,加速性能也有所提高。 通用开发的为150吨的重型卡车设计的轮毂电机(内燃动力电传动)

  日本对轮毂电机研究起步早,技术在世界上处于领先。日本庆应义塾大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去10年中,研制的IZA、ECO、KAZ等电动汽车均采用轮毂电机驱动技术。其中后轮驱动电动汽车ECO采用的永磁无刷直流电机,额定功率618kW,峰值功率可达20kW。

  日本包含丰田在内的各大公司在2003年东京汽车展上纷纷推出自己的轮毂驱动产品,如:普利司通公司的动力阻尼型车轮内装式电机系统、丰田公司的燃料电池概念车FINE2N等等。法国的TM4公司设计的一体化电动轮,采用外转子永磁无刷直流电动机,额定功率为1815kW,额定转矩为950r/min,额定工况下的平均效率可达96.13%,峰值功率可达80kW,峰值扭矩为670N・m,最高转速为1385r/min。

  目前国内也有自主品牌汽车厂商开始研发此项技术,在2011年上海车展展出的瑞麒X1增程电动车就采用了轮毂电机技术。

  轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式:内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外传子电机,电机的最高转速在1000-1500r/min,无减速装置,车轮的转速与电机相同;而内转子式则采用高速内转子电机,配备固定传动比的减速器,为获得较高的功率密度,电机的转速可高达10000r/min。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现,内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。

  对于传统车辆来说,离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器都是必不可少的,而这些部件让车辆的结构更为复杂,同时也存在需要定期维护和故障率的问题。但是轮毂电机就很好地解决了这个问题。除开结构更为简单之外,采用轮毂电机驱动的车辆可以获得更好的空间利用率,同时传动效率非常高。

  由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性,因此无论是前驱、后驱还是四驱形式,它都可以比较轻松地实现,全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向,大大减小车辆的转弯半径,在特殊情况下几乎可以实现原地转向(不过此时对车辆转向机构和轮胎的磨损较大),对于特种车辆很有价值。

  新能源车型不少都采用电驱动,因此轮毂电机驱动也就派上了大用场。无论是纯电动还是燃料电池电动车,抑或是增程电动车,都可以用轮毂电机作为主要驱动力;即便是对于混合动力车型,也可以采用轮毂电机作为起步或者急加速时的助力,可谓是一机多用。同时,新能源车的很多技术,比如制动能量回收(即再生制动)也可以很轻松地在轮毂电机驱动车型上得以实现。

  缺点1:由于现有电机技术功率密度有限,增大簧下质量和轮毂的转动惯量,对车辆的操控有所影响

  对于普通民用车辆来说,常常用一些相对轻质的材料比如铝合金来制作悬挂的部件,以减轻簧下质量,提升悬挂的响应速度。可是轮毂电机恰好较大幅度地增大了簧下质量,同时也增加了轮毂的转动惯量,这对于车辆的操控性能是不利的。不过考虑到电动车型大多限于代步而非追求动力性能,这一点尚不是最大缺陷。

  但随着未来汽车技术发展的需求,高功率密度的轮毂电机技术的寻找成为了关键。

  现在的传统动力商用车已经有不少装备了利用涡流制动原理(也即电阻制动)的辅助减速设备,比如很多卡车所用的电动缓速器。而由于能源的关系,电动车采用电制动也是首选,不过对于轮毂电机驱动的车辆,由于轮毂电机系统的电制动容量较小,不能满足整车制动性能的要求,都需要附加机械制动系统,但是对于普通电动乘用车,三相电机自锁没有了传统内燃机带动的真空泵,就需要电动真空泵来提供刹车助力,但也就意味了有着更大的能量消耗,即便是再生制动能回收一些能量,如果要确保制动系统的效能,制动系统消耗的能量也是影响电动车续航里程的重要因素之一。但随着高功率密度的轮毂电机的出现,可以提供更高的制动能力,从而可以减小对附加机械制动系统的依赖。

  缺点3:安装可靠性有待提高。轮毂电机工作的环境恶劣,面临水、灰尘等多方面影响,在密封方面也有较高要求,同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热问题。

  因此对高效率的轮毂电机有着更高的要求。效率更高,功率密度更高的电机可以在散热密封等方案上可以使电机具有更多的空间进行设计和安装。深圳市实能高科动力有限公司设计的全封闭高功率密度轮毂电机方案,功率密度是目前应用技术的2-5倍,同时保持了95%的超高效率,是轮毂电机划时代的技术方案。

  结语:与电动机集中动力驱动相比,轮毂电机技术具备很大的优势,它布局更为灵活,不需要复杂的机械传动系统,同时也有自己的显著不足,比如密封和起步电流/扭矩间的平衡关系,以及转向时驱动轮的差速问题等等,高功率密度高效率的轮毂电机驱动技术可以使轮毂电机技术更快的应用于新能源车型,将在未来的新能源车中拥有广阔的前景。

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关键词: 三相电机自锁