轮毂电机的结构、控制技术及应用前景

轮毂电机即是在车轮内装电机，它的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。

轮毂电机技术并非新生事物，知名的汽车大师费迪南德·保时捷就在1896年获得到了英国赋予的轮毂电机发明专利，装备轮毂电机的电动车也随之诞生，早在1900年，人类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。

而对于乘用车所用的轮毂电机，日系厂商对于此项技术研发开展较早，目前处于领先地位，包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。

轮毂电机的结构

轮毂又叫轮圈、胎铃，是轮胎内廓支撑轮胎的圆桶形的、中心装在轴上的金属部件，从造型设计、材料运用，尺寸上都有所不同。

在19世纪末20世纪初的这段时间，轮辋、轮毂、辐条开始通过铸造工艺合为一体，轮毂样式开始发生了变化，紧接着就是就是我们现在会用到的钢轮毂。

钢轮毂的特点就是看起来非常的沉重和朴实，且配色单一，随着汽车工业发展，显得与外观设计格格不入。

20世纪30年代，德国人在技术上的突破为铝合金轮毂的发展奠定了基础；在1958年，出现了整体铸造的铝合金轮毂，现在市面上大部分车型都配备了铝合金轮毂。铝合金轮毂的特点造型多样化，重量轻，相比钢轮毂就是质的飞跃啊。

轮毂除了设计样式、类型不同之外，但很多的构成部分都是一样的，主要由轮辋与轮辐构成。另外所有轮毂包含的参数很多，例如、边槽级别、称重级别、孔距、偏距、宽度等等。

好了，介绍完的轮毂一些小知识，我们还是来点“装逼”的进阶知识---轮毂电机。前面我们说过，轮毂电机就是装在轮毂里的电机（好吧，是很装逼），他的特点是：

省略大量传动部件，让车辆结构更简单

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，而这些部件不但重量不轻、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。

除了结构更为简单之外，采用轮毂电机驱动的车辆可以获得更好的空间利用率，同时传动效率也要高出不少。

可实现多种复杂的驱动方式

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。

给个形象的比喻吧，轮毂电机就是黑科技啊，简直就是现代版的“风火轮”有木有。

 

它将动力、传动系统和制动装置都整合到轮毂内，得以将电动车辆的机械部分大为简化，同时可以轻松实现多种复杂的驱动方式。

这种黑科技经过一个多世纪的发展，渐渐的从高效率的无刷电机淘汰了有刷电机；直接测量电机反电动势而知道转子的位置，进行换相。

在启动前就知道转子和定子的相对位置而使用传感器；从磁钢材料的更新慢慢淘汰齿轮；日新月异。下面我们通过一些图例分解一下轮毂电机的机构：

轮毂电机外形基本一致,大都为扁平型，但电机类型、结构形式、驱动方式差别较大，分类如下：

按电机类型分类：目前应用于电动轮毂的电机主要有四大类，即永磁电机(PM)、异步电机(IM)、开关磁阻电机(SRM)和横向磁通电机(TFM)。这其中，永磁电机的应用最为普遍，而横向磁通电机则是一类极具竞争力的低速大扭矩新型电机。

按结构形式分类：从主磁通行经路径看，它囊括了径向磁场(radial )、轴向磁场(axial )、横向磁通(transverse)全部三种基本形式。从运动方式看，亦有内转子、外转子和双转子之分。

其中，双转子结构最有新意。内转子主动，外转子从动，二者通过一组行星齿轮传递动力，实现反向旋转，使磁场切割导体的速度为内、外转子速度之和。

显然，这种速度迭加以及机械联动的巧妙组合，既给电机设计带来了张驰空间，又起到了缓释负载扰动、平抑冲击负荷、有效保护电池的作用。

按驱动方式分类：直接驱动时，电机多采用外转子结构，即转子直接带动轮毂旋转，因而转速较低。与此相对应，间接驱动时，电机则多为内转子结构，转速较高，通过行星轮加齿环机构实现减速，带动轮毂旋转,因而也称之为减速驱动。

按旋转速度分类：轮毂电机还有高速和低速之分，但对应的转速范围并没有明确的界定，视应用对象不同而不同。

通常，仅当驱动方式确定之后，高、低速范围的界定才具有相对准确的含义，即直接驱动一般对应于低速电机(体积大，耗材多，功率密度小，噪声低)，而间接驱动则多对应于高速电机(体积小,耗材少，功率密度大，噪声高)。

纯电轿车所采用的轮毂电机的驱动方式为外转子直接驱动，电机定子、转子以及逆变器集成为一体，由8个逻辑上的子电机组成，使用共同的转子，并通过算法实现各子电机的独立、协同控制。

这种“分布式”的结构可降低对每个子电机的功率要求，因此可以采用小体积、低成本的功率电子器件，使得整个电机可以集成得非常紧凑；

而通过对8个子电机进行合理的协同控制，可将各子电机输出的功率、扭矩进行叠加，实现整个电机强劲的驱动力；同时，若其中1个子电机发生故障，其他的电机仍可以继续正常丁作，而不会导致汽车直接抛锚。

轮毂电机驱动系统根据电机的转子形式主要分为两种结构形式：内转子型和外转子型。其中，外转子型具有结构简单、可靠性高、调速范围宽、输出转矩大、噪音低、效率高等诸多优点，已经成为轮毂电机的主流结构。

轮毂电机的控制技术

轮毂电机工作原理示意如下：

图1

图2

无刷电机启动前想知道转子和定子的相对位置必须使用传感器。无感电机直接测量电机反电动势而知道转子的位置，由控制器驱动功率管进行换相。 

虽然存储器能记录定子和转子的相对位置，但对于极缓慢的转动 系统将无法理解电机绕组反电动势的波形。电机达到一定转速时由于受惯性限制波峰波谷都代表一定的角度，刹车时就关闭电机。所以使用磁传感器的轮毂电机是主流。

轮毂电机原理图红色磁钢转子处在死角位置，要靠蓝色磁钢转子上方的绕组通电，走出死角。图2所示电机就没有死角，只要知道转子的位置，就知道怎样驱动功率管。

图1图2所示电机看上去象是把直线电机卷了起来，绕组通电 好比是用食物引诱着驴子（磁钢）不停地跑，却总保持着一段距离，它功率较大，比较重结构简单噪音低。

磁力手动齿轮离合高速无刷轮毂电机利用三个大而薄的2模钢齿轮减速来得到所需动力。需要滑行时 由偏心离合手柄拉动轴心离合传动的轴、活塞及拉钩，使电机齿轮外转子端盖位移，电机齿轮与传动齿轮分离。不要滑行时利用电机磁力复位实现齿轮手动啮合，其离合机构简单，省去 超越离合器。

其控制技术有：无位置传感器控制技术，无位置传感器位置信号检测方法有 4 种：

1.反电势法

该方法最成熟、最有效、也是最常见的方法。其基本原理是将检测到的断开相反电动势过零信号延时 30°电角度得到功率管的开关信号。由于电机静止或电机转速较低时，反电势信号没有或较弱，因此反电动势法一般与“三段式”启动技术配套使用。

2.继流二极管法

该方法通过检测反并联与逆变桥功率开关管上的继流二极管的导通状态来确定转子的位置。

3.电感法

该方法通过检测绕组电感随转子位置的改变而发生的变化，再通过一定的计算，可得到转子的位置信号。

4.状态观测器法

该方法是将电机的三相电压、电流作坐标，在派克方程的基础上估算出电机的转子位置。有于坐标变换只考虑基波分量，该方法主要用于正弦波反电动势的PMBLDCM。

（1）转矩脉动抑制

永磁无刷直流电动机在理想情况运行时应满足：三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流持续时间为 120°电角度，梯形波反电势平顶部分也为 120°电角度，两者严格同步，此时电机将产生恒定的电磁转矩。但在实际运行中，电机总存在转矩脉动，产生转矩脉动的原因和抑制方法有以下几种：

a）电磁因素产生的转矩脉动。

该类型的转矩脉动是由于定子电流和转子磁场的相互作用而产生的。

抑制方法有：电机优化设计法、最佳开通角法、谐波消去法和转矩闭环控制法。

b）电流换向引起的转矩脉动。

该类型的转矩脉动是由于电机绕组电感阻碍了电流的瞬时变化，因而在电枢电流从某一相切换到另一相时就会引起转矩脉动。抑制方法有：电流反馈法、重叠换向法和 PWM 斩波法。

c）齿槽引起的转矩脉动。

该类型的转矩脉动是由永磁体磁场和定子铁心的齿槽作用在圆周方向产生的转矩，又可称为定位转矩或磁阻转矩。抑制齿槽转矩的方法有：磁性槽楔法和闭口槽法、辅助槽法、辅助齿法和分数槽法、斜槽法和斜极法。

（2）弱磁扩速

由于永磁体的励磁恒定不变，电机在基速以下采用 PWM 调制实现调压调速，此时电机的反电势与转速、气隙磁通成正比。

基速及基速以上运行时端电压已调至最大，随着转速的升高，电机反电势增大，电枢电流减小。当反电势等于端电压时，电枢电流为零，无法产生电磁转矩，电机将停转。

为了在基速以上端电压不变的条件下保持一定的电枢电流，以产生电磁转矩，要实行弱磁控制，而对方波无刷直流电机而言，传统的弱磁控制不能直接使用，需要新的控制策略。

一般通过提前开通功率器件，使得绕组的变压器反电势抵消一部分旋转反电势，从而满足电压平衡关系，实现等效的弱磁控制。目前恒功率弱磁调速范围为基速的 2.8 倍左右。

调速方式有：

1）脉宽调制（PWM）；Pulse WidthModulation 频率不变，脉宽可变。

2）频率调制；脉宽不变，频率可变。

3）限流控制方式。脉宽、频率可变。如图23 所示。

轮毂电机的应用前景

能源和环境问题凸显，电动汽车成为世界各国汽车行业的战略重点，高品质的轮毂电机及其控制系统是国内外电气工程领域的重要研究方向和热点，因其具有明显的优势，已成为电动汽车发展的一个重要发展方向。

目前，轮毂电机已在电动汽车上取得成功，可以预见，随着研发的不断深入，轮毂电机性能的不断提高，以及电池技术、动力控制系统和整车能源管理系统等相关技术的突破，轮毂电机将在电动汽车上广泛应用。

新能源汽车市场在国家政策的推动下，获得了飞速发展。数据显示，今年前10个月，新能源汽车销售33.7万辆，比上年同期增长82.2%。

其中纯电动汽车销售完成25.8万辆，比上年同期增长102.5%。随着新能源汽车的火热发展，与新能源汽车相关的零部件技术得到广泛关注，大量资金涌入该领域。

在风靡全球的新能源浪潮中，新能源汽车动力系统发展可以分为三个阶段，第一代是中央电机集中驱动技术，第二代是轮边电机技术，第三代是轮毂电机技术。

与前两代技术相比，轮毂电机技术具有更加高效、节能、轻量化、小型化等诸多优点，能有效解决新能源汽车成本、能耗等问题，是未来的应用趋势。

基于此，有行业人士认为，轮毂电机堪称纯电动汽车的终极解决方案，这种技术使汽车由中央式驱动改为分布式驱动，省掉变速器、传动轴、差速器等传动部件，将动力、传动和制动装置整合到轮毂内，实现了新能源汽车发动机、变速机的一体化，从机械驱动转为电驱动。这如同乔布斯认为点击屏幕一定要用手指，而不是用触屏笔一样，是最直接、最高效的驱动方式。

审核编辑：郭婷