輪毂電機------Hub motor

輪毂電機即是在車輪内裝電機，它的最大特點就是将動力、傳動和制動裝置都整合到輪毂内，因此将電動車輛的機械部分大大簡化。

輪毂電機技術并非新生事物，知名的汽車大師費迪南德·保時捷就在1896年獲得到了英國賦予的輪毂電機發明專利，裝備輪毂電機的電動車也随之誕生，早在1900年，人類已經制造出了前輪裝備輪毂電機的電動汽車，在20世紀70年代，這一技術在礦山運輸車等領域得到應用。

而對于乘用車所用的輪毂電機，日系廠商對于此項技術研發開展較早，目前處于領先地位，包括通用、豐田在内的國際汽車巨頭也都對該技術有所涉足。

輪毂電機的結構

輪毂又叫輪圈、胎鈴，是輪胎内廓支撐輪胎的圓桶形的、中心裝在軸上的金屬部件，從造型設計、材料運用，尺寸上都有所不同。

在19世紀末20世紀初的這段時間，輪辋、輪毂、輻條開始通過鑄造工藝合為一體，輪毂樣式開始發生了變化，緊接着就是就是我們現在會用到的鋼輪毂。

鋼輪毂的特點就是看起來非常的沉重和樸實，且配色單一，随着汽車工業發展，顯得與外觀設計格格不入。

20世紀30年代，德國人在技術上的突破為鋁合金輪毂的發展奠定了基礎；在1958年，出現了整體鑄造的鋁合金輪毂，現在市面上大部分車型都配備了鋁合金輪毂。鋁合金輪毂的特點造型多樣化，重量輕，相比鋼輪毂就是質的飛躍啊。

輪毂除了設計樣式、類型不同之外，但很多的構成部分都是一樣的，主要由輪辋與輪輻構成。另外所有輪毂包含的參數很多，例如、邊槽級别、稱重級别、孔距、偏距、寬度等等。

好了，介紹完的輪毂一些小知識，我們還是來點“裝逼”的進階知識---輪毂電機。前面我們說過，輪毂電機就是裝在輪毂裡的電機（好吧，是很裝逼），他的特點是：

• 省略大量傳動部件，讓車輛結構更簡單

對于傳統車輛來說，離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器都是必不可少的，而這些部件不但重量不輕、讓車輛的結構更為複雜，同時也存在需要定期維護和故障率的問題。但是輪毂電機就很好地解決了這個問題。

除了結構更為簡單之外，采用輪毂電機驅動的車輛可以獲得更好的空間利用率，同時傳動效率也要高出不少。

• 可實現多種複雜的驅動方式

由于輪毂電機具備單個車輪獨立驅動的特性，因此無論是前驅、後驅還是四驅形式，它都可以比較輕松地實現，全時四驅在輪毂電機驅動的車輛上實現起來非常容易。

同時輪毂電機可以通過左右車輪的不同轉速甚至反轉實現類似履帶式車輛的差動轉向，大大減小車輛的轉彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實現原地轉向(不過此時對車輛轉向機構和輪胎的磨損較大)，對于特種車輛很有價值。

給個形象的比喻吧，輪毂電機就是黑科技啊，簡直就是現代版的“風火輪”有木有。

它将動力、傳動系統和制動裝置都整合到輪毂内，得以将電動車輛的機械部分大為簡化，同時可以輕松實現多種複雜的驅動方式。

這種黑科技經過一個多世紀的發展，漸漸的從高效率的無刷電機淘汰了有刷電機；直接測量電機反電動勢而知道轉子的位置，進行換相。

在啟動前就知道轉子和定子的相對位置而使用傳感器；從磁鋼材料的更新慢慢淘汰齒輪；日新月異。下面我們通過一些圖例分解一下輪毂電機的機構：

輪毂電機外形基本一緻,大都為扁平型，但電機類型、結構形式、驅動方式差别較大，分類如下：

按電機類型分類：目前應用于電動輪毂的電機主要有四大類，即永磁電機(PM)、異步電機(IM)、開關磁阻電機(SRM)和橫向磁通電機(TFM)。這其中，永磁電機的應用最為普遍，而橫向磁通電機則是一類極具競争力的低速大扭矩新型電機。

按結構形式分類：從主磁通行經路徑看，它囊括了徑向磁場(radial )、軸向磁場(axial )、橫向磁通(transverse)全部三種基本形式。從運動方式看，亦有内轉子、外轉子和雙轉子之分。

其中，雙轉子結構最有新意。内轉子主動，外轉子從動，二者通過一組行星齒輪傳遞動力，實現反向旋轉，使磁場切割導體的速度為内、外轉子速度之和。

顯然，這種速度叠加以及機械聯動的巧妙組合，既給電機設計帶來了張馳空間，又起到了緩釋負載擾動、平抑沖擊負荷、有效保護電池的作用。

按驅動方式分類：直接驅動時，電機多采用外轉子結構，即轉子直接帶動輪毂旋轉，因而轉速較低。與此相對應，間接驅動時，電機則多為内轉子結構，轉速較高，通過行星輪加齒環機構實現減速，帶動輪毂旋轉,因而也稱之為減速驅動。

按旋轉速度分類：輪毂電機還有高速和低速之分，但對應的轉速範圍并沒有明确的界定，視應用對象不同而不同。

通常，僅當驅動方式确定之後，高、低速範圍的界定才具有相對準确的含義，即直接驅動一般對應于低速電機(體積大，耗材多，功率密度小，噪聲低)，而間接驅動則多對應于高速電機(體積小,耗材少，功率密度大，噪聲高)。

純電轎車所采用的輪毂電機的驅動方式為外轉子直接驅動，電機定子、轉子以及逆變器集成為一體，由8個邏輯上的子電機組成，使用共同的轉子，并通過算法實現各子電機的獨立、協同控制。

這種“分布式”的結構可降低對每個子電機的功率要求，因此可以采用小體積、低成本的功率電子器件，使得整個電機可以集成得非常緊湊；

而通過對8個子電機進行合理的協同控制，可将各子電機輸出的功率、扭矩進行疊加，實現整個電機強勁的驅動力；同時，若其中1個子電機發生故障，其他的電機仍可以繼續正常丁作，而不會導緻汽車直接抛錨。

輪毂電機驅動系統根據電機的轉子形式主要分為兩種結構形式：内轉子型和外轉子型。其中，外轉子型具有結構簡單、可靠性高、調速範圍寬、輸出轉矩大、噪音低、效率高等諸多優點，已經成為輪毂電機的主流結構。

輪毂電機的控制技術

輪毂電機工作原理示意如下：

圖1

圖2

無刷電機啟動前想知道轉子和定子的相對位置必須使用傳感器。無感電機直接測量電機反電動勢而知道轉子的位置，由控制器驅動功率管進行換相。

雖然存儲器能記錄定子和轉子的相對位置，但對于極緩慢的轉動 系統将無法理解電機繞組反電動勢的波形。電機達到一定轉速時由于受慣性限制波峰波谷都代表一定的角度，刹車時就關閉電機。所以使用磁傳感器的輪毂電機是主流。

輪毂電機原理圖紅色磁鋼轉子處在死角位置，要靠藍色磁鋼轉子上方的繞組通電，走出死角。圖2所示電機就沒有死角，隻要知道轉子的位置，就知道怎樣驅動功率管。

圖1圖2所示電機看上去象是把直線電機卷了起來，繞組通電 好比是用食物引誘着驢子（磁鋼）不停地跑，卻總保持着一段距離，它功率較大，比較重結構簡單噪音低。

磁力手動齒輪離合高速無刷輪毂電機利用三個大而薄的2模鋼齒輪減速來得到所需動力。需要滑行時 由偏心離合手柄拉動軸心離合傳動的軸、活塞及拉鈎，使電機齒輪外轉子端蓋位移，電機齒輪與傳動齒輪分離。不要滑行時利用電機磁力複位實現齒輪手動齧合，其離合機構簡單，省去 超越離合器。

其控制技術有：無位置傳感器控制技術

無位置傳感器位置信号檢測方法有 4 種：

• 1.反電勢法

該方法最成熟、最有效、也是最常見的方法。其基本原理是将檢測到

的斷開相反電動勢過零信号延時 30°電角度得到功率管的開關信号。由于電機靜止或電機轉速較低時，反電勢信号沒有或較弱，因此反電動勢法一般與“三段式”啟動技術配套使用。

• 2.繼流二極管法

該方法通過檢測反并聯與逆變橋功率開關管上的繼流二極管的導通狀态來确定轉子的位置。

• 3.電感法

該方法通過檢測繞組電感随轉子位置的改變而發生的變化，再通過一定的計算，可得到轉子的位置信号。

• 4.狀态觀測器法

該方法是将電機的三相電壓、電流作坐标，在派克方程的基礎上估算出電機的轉子位置。有于坐标變換隻考慮基波分量，該方法主要用于正弦波反電動勢的PMBLDCM。

（1）轉矩脈動抑制

永磁無刷直流電動機在理想情況運行時應滿足：三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流為方波，反電動勢為梯形波，且在每半個周期内，方波電流持續時間為 120°電角度，梯形波反電勢平頂部分也為 120°電角度，兩者嚴格同步，此時電機将産生恒定的電磁轉矩。但在實際運行中，電機總存在轉矩脈動，産生轉矩脈動的原因和抑制方法有以下幾種：

a） 電磁因素産生的轉矩脈動。

該類型的轉矩脈動是由于定子電流和轉子磁場的相互作用而産生的。

抑制方法有：電機優化設計法、最佳開通角法、諧波消去法和轉矩閉環控制法。

b）電流換向引起的轉矩脈動。

該類型的轉矩脈動是由于電機繞組電感阻礙了電流的瞬時變化，因而在電樞電流從某一相切換到另一相時就會引起轉矩脈動。抑制方法有：電流反饋法、重疊換向法和 PWM 斬波法。

c）齒槽引起的轉矩脈動。

該類型的轉矩脈動是由永磁體磁場和定子鐵心的齒槽作用在圓周方向産生的轉矩，又可稱為定位轉矩或磁阻轉矩。抑制齒槽轉矩的方法有：磁性槽楔法和閉口槽法、輔助槽法、輔助齒法和分數槽法、斜槽法和斜極法。

（2）弱磁擴速

由于永磁體的勵磁恒定不變，電機在基速以下采用 PWM 調制實現調壓調速，此時電機的反電勢與轉速、氣隙磁通成正比。

基速及基速以上運行時端電壓已調至最大，随着轉速的升高，電機反電勢增大，電樞電流減小。當反電勢等于端電壓時，電樞電流為零，無法産生電磁轉矩，電機将停轉。

為了在基速以上端電壓不變的條件下保持一定的電樞電流，以産生電磁轉矩，要實行弱磁控制，而對方波無刷直流電機而言，傳統的弱磁控制不能直接使用，需要新的控制策略。

一般通過提前開通功率器件，使得繞組的變壓器反電勢抵消一部分旋轉反電勢，從而滿足電壓平衡關系，實現等效的弱磁控制。目前恒功率弱磁調速範圍為基速的 2.8 倍左右。

調速方式有：

1）脈寬調制（PWM）；Pulse WidthModulation 頻率不變，脈寬可變。

2）頻率調制；脈寬不變，頻率可變。

3）限流控制方式。脈寬、頻率可變。如圖23 所示。

輪毂電機的應用前景

能源和環境問題凸顯，電動汽車成為世界各國汽車行業的戰略重點，高品質的輪毂電機及其控制系統是國内外電氣工程領域的重要研究方向和熱點，因其具有明顯的優勢，已成為電動汽車發展的一個重要發展方向。

目前，輪毂電機已在電動汽車上取得成功，可以預見，随着研發的不斷深入，輪毂電機性能的不斷提高，以及電池技術、動力控制系統和整車能源管理系統等相關技術的突破，輪毂電機将在電動汽車上廣泛應用。

新能源汽車市場在國家政策的推動下，獲得了飛速發展。數據顯示，今年前10個月，新能源汽車銷售33.7萬輛，比上年同期增長82.2%。

其中純電動汽車銷售完成25.8萬輛，比上年同期增長102.5%。随着新能源汽車的火熱發展，與新能源汽車相關的零部件技術得到廣泛關注，大量資金湧入該領域。

在風靡全球的新能源浪潮中，新能源汽車動力系統發展可以分為三個階段，第一代是中央電機集中驅動技術，第二代是輪邊電機技術，第三代是輪毂電機技術。

與前兩代技術相比，輪毂電機技術具有更加高效、節能、輕量化、小型化等諸多優點，能有效解決新能源汽車成本、能耗等問題，是未來的應用趨勢。

基于此，有行業人士認為，輪毂電機堪稱純電動汽車的終極解決方案，這種技術使汽車由中央式驅動改為分布式驅動，省掉變速器、傳動軸、差速器等傳動部件，将動力、傳動和制動裝置整合到輪毂内，實現了新能源汽車發動機、變速機的一體化，從機械驅動轉為電驅動。這如同喬布斯認為點擊屏幕一定要用手指，而不是用觸屏筆一樣，是最直接、最高效的驅動方式。

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