電動汽車輪轂電機技術又稱為車輪內裝式電機技術,是一種將電機、傳動系統和制動系統融為一體的輪轂裝置技術。輪轂電機可采用永磁無刷、直流無刷、開關磁阻等電機類型,由于電機處于車輪輪轂內,受體積限制,一般要求電機為扁形結構,即電機短而粗。
圖示:電動汽車輪轂電機系統示意圖
電動汽車輪轂電機動力系統的電機類型有永磁、感應、開關磁阻式等,通常由電動汽車電機、減速機構、制動器與散熱系統等組成。
輪轂電機驅動系統根據電機的轉子形式主要分成兩種結構形式:內轉子式和外轉子式。內轉子式輪轂電機采用高速內轉子電機,配備固定傳動比的減速器,電機的轉速通常高達10000r/min。外轉子式輪轂電機則采用低速外轉子電機,無減速裝置,電機的外轉子與車輪的輪輞固定或者集成在一起,車輪的轉速與電機相同,電機的最高轉速在1000~1500r/min之間,如下圖所示。
圖示:輪轂電機結構示意圖
內轉子式的輪轂電機具有比功率較高、質量輕、體積小、噪聲小、成本低等優點。其缺點是必須采用減速裝置,使效率降低,非簧載質量增大,電機的最高轉速受到線圈損耗、摩擦損耗以及變速機構的承受能力等因素的限制。
外轉子式輪轂電機的優點是結構簡單、軸向尺寸小,能在很寬的速度范圍內控制轉矩,且響應速度快,沒有減速機構,因而效率高。其缺點是要獲得較大的轉矩,必須增大電機的體積和質量,因而其成本高。這兩種結構在目前的電動汽車中都有應用,但是隨著緊湊的行星齒輪變速機構的出現,高速內轉子式驅動系統在功率密度方面比低速外轉子式更具競爭力。
電動汽車輪轂電機使用時可分為減速驅動和直接驅動兩大類。
在減速驅動方式下,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轉子電機。減速機構放置在電機和車輪之間,起減速和增加轉矩的作用。減速驅動的優點是: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轉矩:不足之處是:難以實現液態潤滑、齒輪磨損較快、使用壽命短、不易散熱、噪聲大。減速驅動方式適合于丘陵或山區,以及要求過載能力大或城區公交車等需要頻繁起動停車等場合。
在直接驅動方式下,電機多采用外轉子(即直接將轉子安裝在輪轂上)。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速范圍。直接驅動的優點有:不需要減速機構,使得整個驅動結構更加簡單、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;電機效率峰值區域很小,負荷電流超過一定值后效率急劇下降。此驅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,可以方便地實現前輪驅動、后輪驅動或者四輪驅動車。與內燃機驅動系統或者集中驅動電動系統相比,輪轂電機驅動系統在動力源配置、底盤結構等方面有其獨特的技術特征和優勢,具體體現在以下幾方面:
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,使得電動汽車驅動系統和整車結構簡潔、有效、可利用空間大;
2. 可以方便地通過電子線控技術,實現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動力,從而提高惡劣路面條件下的行駛性能;
4. 容易實現各輪轂電機的電氣制動、機電復合制動和制動能量回饋,提高能源利用效率。采用四輪驅動方式時,可以最大限度的回收制動能量;
5. 底架結構大為簡化,可使整車總布置和車身造型設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,方便地實現產品多樣化和系列化,縮短新車型的開發周期,降低開發成本;
6. 在采用輪轂電機驅動系統的四輪電動汽車上,若進一步引入線控四輪轉向技術(4WS),則可以進一步提高整車的行駛性能。
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