轮毂电机学习报告

虽然早在上个世纪五六十年代关于轮毂驱动电动汽车的研究早有出现，且近些年来国内外参与的研究机构和学者也有不少，但是从其发展的进程来看并不迅速也并不顺利。制约其进步的因素有很多，关于技术上的研究有很多地方有待提高，这也主要取决于电机技术、电子控制技术、新型的结构设计等方面的进步。作为轮毂驱动电动汽车，正是由于它的结构与普通汽车有了很大区别，简化了很多，部件大多集中于驱动轮辋内，使得对于轮辋内的结构设计要求很高。

一、轮毂驱动电动汽车作为一种新型的汽车，与传统的汽车及普通的电动汽车相比有着许多优势。

首先，由于采用电动机直接驱动车轮，因此省去了传统的传动系统，取消了变速器、离合器等部件，为汽车节省了空间。

其次，轮毂驱动电动汽车的很多部件集中于车轮，使得汽车底盘外的车身受设计限制很小，车身设计可以更加多样灵活。

第三，节省了传统传动机构的轮毂驱动形式，在机械传动效率方面也更高，同时由于没有了这些传动机构，汽车运行的声音也会比较小。

第四，在制动方面，轮毂驱动电动汽车可以采用电子控制直接对驱动轮制动，同时与机械制动相结合，而且能够实现制动能量回收等。

第五，在车身重量方面，省去的普通传动机构减小了不少车重，使得汽车更加轻便灵活。

第六，可以对各驱动轮进行独立驱动和制动控制，在车辆的动力性方面的动态响应较好，有益于提高汽车的动力性。

第七，在车辆转弯时，对各驱动轮进行电子差速控制，特别是四轮驱动的情况，可以有效的减小车辆的转弯半径。

第八，与传统的电动汽车相比，轮毂驱动电动汽车有更大的利用空间布置电池和电子控制系统，对于实现电力驱动的性能提供了有利条件。

轮毂电机的发热主要来自于电机内部的绕组在工作过程中的损失，此外铁心也会产生热量，散热效果的好坏影响了电机的功能工作能力。热量通过传导作用从铜线穿过绝缘传到铁心，再由铁心传到电枢表面，然后借对流和辐射利用将热量传到周围的气体中去。所以，要降低绕组表面的温升，既要提高轮毂电机内的导热强度，又要加大部件表面的散热能力。轮毂式电动汽车驱动车轮内部集中设计了多个部件，对于电机的冷却方式，综合空间布局不易采用结构较为复杂的水冷方式，应该选用风冷散热的方案。

二、电动汽车用电机选用要求：

电动汽车的驱动系统是电动车的关键系统，它将来自于电池或别的能量源的电能转化为汽车的机械能。电动汽车选择合适的电机作为驱动汽车行驶的动力输出装置，影响着整车的性能，是影响汽车设计成败的重要因素。电动汽车的驱动系统对于电机具有以下基本技术要求:

(1)电机需要具有较宽的调速范围和比较大的启动扭矩，满足电动汽车的动力性能要求，包括启动的快慢以及加速的时间等。

(2)能够实现再生制动，有效的实行制动能量回收，在汽车需要制动时，回收制动能量，实现低能耗、高效率。

(3)良好的耐热及耐潮能力。在比较恶劣或特殊的工作环境下，保证电机的正常运行。

(4)轻量化。选用合适的材料作为电机的机壳，以及合适的控制器及散热设备的材料轻量化。

(5)高电平。在允许的条件下，尽量选用高电平，以此减小电动机的尺寸及

导线的大小，同时可以有效降低功率变换器的成本。

(6)对于控制系统和电气系统来说，其设计必须达到国家对于车辆安全性的

规定和要求。

图1 电动汽车驱动电机的分类

通常来说，在电动汽车初始阶段，鉴于直流电机的转矩——速度特性较好，满足牵引电机的要求，且具备速度的控制较为简单的优点，因而被率先采用。但是直流电机的效率很低，而且维护起来比较麻烦，在运行的过程中，由电刷产生的火花给别的设备带来了电磁干扰。交流三相感应电机式运用比较多的电机类型，其优点是运转平稳、结构设计简单，功率覆盖面积比较广，与相同功率的直流电机比较起来，它的成本更低、质量更轻。但是交流三相感应电机的转子更容易发热，功率因数也比较低，引入变频变压装置后会大大提升电机的成本。永磁无刷直流电机具有较为特殊的机械结构设计，没有换向器的电机却具有直流电机的外特性。由于采用的是永磁体转子，电机没有励磁损失。开关磁阻电机是较为新型的电机，结构更简单，效率更高，调速范围更为宽广且控制方法灵活多变。据有关研究表明，采用合理的设计制造的开关磁阻式电机的噪声可以实现颇为有效的抑制。

三、开关磁阻电机的结构

开关磁阻电机是一种新开发的机电一体化电机，由于其结构和控制系统简单，以及电力电子器件的发展，一直以来备受重视。开关磁阻电机传动系统主要由四部分组成:开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器。

图2 开关磁阻电机传动系统框图

开关磁阻电机具有简单的结构，效率相对较高的优势。另外，损耗主要产生在定子边，所以冷却问题较容易。没有绕组的转子特点为其成为高速电机提供了可能。但开关磁阻电机运转时声音较大，转速和转矩稳定性不是特别好。开关磁阻电机传动系统综合了感应电机传动系统和直流电机传动系统的优点，是电动汽车传动系统的合理选择之一。总结来说，开关磁阻电机有如下优势：(l)电机本体结构简单，定子上绕组集中简单，转子上无绕组，因此工作稳定，制造简洁，成本低廉。

(2)开关磁阻电机转子的转动惯量小，每次电流换向时能够灵活控制相匝扭矩的方向和大小，所以使系统有着良好的动态响应性能。

(3)开关磁阻电机的结构对转速的影响比较小，因而更容易制成高速的电机，满足电动汽车动力性要求。

(4)其转矩与电流极性无关，只需单向的电流激励。从理论上说，功率变换电路中每相可以只用一个开关元件，与电机绕组串联。因此，开关磁阻电机驱动系统SRD线路简单且运行平稳，与PWM调速系统相比更加节约成本。

(5)SRD系统可以通过对电流的导通、断开和对幅值的控制，得到满足不同负载要求的机械特性，易于实现系统的软启动和四象限运行功能，控制更加灵活。又由于SRD系统是自同步系统运行，不会像变频供电的感应电机那样在低频时出现不稳定和振荡问题。

(6)由于SR开关磁阻电机采用了独特的结构设计以及相应的控制技巧，其单位功率可以向感应电机看齐。SRD系统的效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都有着良好的性能表现。同时，开关磁阻电机也有着一些技术上的缺点:首先，电机传动系统的噪声与振动比一般电机大。其次，由转矩脉动。从工作原理上可知，SR开关磁阻电机转子产生的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而成。由于双凸极结构及磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量，这影响了SR电机低速运行性能。

四、轮毂驱动电动汽车电机的选用

在轮毂电机的选择中，我们要考虑以下四个方面。

1电机类型的选择

2电机电压的选择

3电机转速的选择

4电机功率的选择