电动汽车采用的轮毂式电动机驱动属于分散式电动机驱动模式。分散电动机驱动一般有轮毂电动机和轮边电动机两种方式。所谓“轮边电动机驱动模式”,是指每个驱动车轮由单独的电动机驱动,但是电动机不是集成在车轮内,而是通过传动装置(例如传动轴)连接到车轮。轮边电动机驱动模式的驱动电动机属于簧载重量范围,悬架系统隔振性能好。但是,安装在车身上的电动机对整车总布置的影响很大,特别是在后轴驱动的情况下。而且,因为车身和车轮之间存在变形运动,其对传动轴的万向传动也具有一定的限制。
轮毂电动机系统一般被叫作“轮毂电动机”,也称为轮式电动机、车轮电动机或者电动轮。
一、轮毂电动机的应用
轮毂电动机系统在各种交通工具中均有应用,如图1所示。不同的应用场合对轮毂电动机的结构形式和技术性能等均提出了不同的要求,相应地产生了各种轮毂电动机系统及其特色技术。木部分主要介绍汽车用轮毂的电动机系统。
二、轮毂电动机的结构形式
轮毂电动机动力系统一般由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。如图2所示为轮毂电动机的结构。轮毂电动机动力系统根据电动机的转子形式主要分成内转子型与外转子型两种结构,如图3所示。一般情况下,外转子型采用低速外转子电动机,电动机的最高转速为1000~1500r/min,无任何减速装置,电动机的外转子和车轮的轮惘固定或者集成在一起,车轮的转速和电动机相同。内转子型则采用高速内转子电动机,同时装备固定传动比的减速器。为了获得较高的功率密度,电动机的转速一般高达10000r/min。一般采用传动比在10 : 1左右的行星齿轮减速装置,车轮的转速在1000r/min左右。
高速内转子轮毂电动机的优点为比功率高、重量轻、体积小、效率高、噪声小、成本低;缺点为必须采用减速装置,效率降低,非簧载重量增大,电动机的最高转速受线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承受能力等因素的限制。低速外转子轮毂电动机的优点为结构简单、轴向尺寸小、比功率高、能在很宽的速度范围内控制转矩、响应速度快、外转子直接与车轮相连、没有减速机构、效率高;缺点是如果要获得较大的转矩,必须增大发动机体积和重量,因此成本高,加速时效率低,噪声大。这两种结构在目前的电动汽车中均有应用,但是随着紧凑的行星齿轮变速机构的出现,高速内转子式驱动系统在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。
轮毂电动机动力系统因为电动机电制动容量较小,不能满足整车制动效能的要求,一般需要附加机械制动系统。轮毂电动机系统中的制动器可以按照结构采用鼓式或者盘式制动器。电动机电制动容量的存在通常可以使制动器的设计容量适当减小。大多数的轮毂电动机系统采取风冷方式进行冷却,也有的采用水冷和油冷的方式对电动机、制动器等的发热部件进行散热降温,但结构比较复杂。
三、轮毂电动机的分类及特点
(1)轮毂电动机的分类轮毂电动机分为永磁式、感应式、开关磁阻式。
轮毂电动机系统的驱动电动机按照电动机磁场的类型分为径向磁场和轴向磁场两种类型。
①轴向磁场电动机的结构利于热量散发,并且它的定子可以不用铁芯。
②径向磁场电动机的定转子之间受力比较均衡,磁路由硅钢片叠压得到,技术更简单、成熟。
(2)轮毂电动机的特点
①感应(异步)式电动机的优点为结构简单、坚固耐用、成木低廉、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、不需要位置传感器、转速极限高;缺点为驱动电路复杂,成本高,相对于永磁电动机而言,异步电动机效率和功率密度偏低。
②无刷永磁同步电动机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构,具有较高的功率密度和效率,以及宽广的调速范围,发展前景非常广阔,已在国内外多种电动汽车中获得应用。
③开关磁阻式电动机的优点是结构简单、制造成本低廉、转速/转矩特性好等,适用于电动汽车驱动;缺点是设计与控制非常困难、运行噪声大。