发展乘用车永磁轮毂电机的技术难点解析

时至今日，电动汽车已发生了巨大变化，类型也多种多样。电动汽车作为清洁新能源交通工具正受到人们越来越多的关注和响应。 作为电动汽车的关键核心部件，根据电驱系统驱动车轮的方式和安装位置， 可以分为集中式驱动与分布式驱动两种。分布式驱动是指轮毂电机安装在轮毂内，通过与轮轴相连接的方式直接驱动汽车，或者通过机械减速装置间接驱动车辆行驶。相对于集中式驱动，利用轮毂电机进行四轮独立驱动的优点包括：

1. 轮毂电机直接将动力传递给车轮，取消了离合器、变速器、传动轴、差速器及相互之间的机械传动总成，此外悬架和制动系统也可集成于车轮的轮毂里，底盘结构大大简化，精简了传动链，可提高系统效率和可靠性；

2. （直驱模式）无齿轮摩擦、润滑问题，使用寿命延长；

3. 使得车内空间布局更为灵活，为动力电池以及其它车内设备提供了更多空间，使底盘布置形式扁平化，提高乘车舒适度与安全性；

4. 轮毂式直接驱动使各车轮的驱动力独立可控，动力学控制更为灵活，可方便地实现驱动轮数量及形式的转换，有利于提高恶劣路面条件下的行驶性能；

5. 容易实现车轮的电气制动、机电复合制动，提高再生制动能量回收效率。

6. 许多汽车厂商将轮毂电机驱动作为下一代电动汽车的发展方向之一， 纷纷加 大投入，不断推出各类新型概念车。英国 Protean Electric 公司所提出的四轮独立驱动电动汽车底盘和轮毂电机如图 1 所示 。

然而， 作为四轮独立驱动电动汽车的轮毂电机， 对其性能也提出了更高要求：

采用轮毂电机系统， 能够通过不同车轮运动的独立控制实现更加智能化的车辆驱动模式，是面向人车交互、无人驾驶的未来车辆重要发展方向。目前，国际上一些知名企业已经掌握了高转矩密度的直驱式轮毂电机系统的设计与制造方法，但仍存在着永磁体用量大、制造成本高、工艺复杂、容错能力弱的缺点。

直驱式轮毂电机通常以外转子永磁无刷电机为主，如图 2 所示主要包括：采用分布式绕组的永磁同步电机（每极每相槽数为 1） （图 2a） 采用集中式绕组的 、无刷直流电机（每极每相槽数为 0.5） （图 2b） 采用新型集中式模块化绕组（分 、数槽）的永磁同步电机（定子槽数与转子极数相差2） （图 2c）。

采用分数槽集中式绕组电机可以缩短绕组端部长度，减小用铜量和铜耗，提高效率，同时减小电机轴向长度，增加转矩（功率）密度。然而，该类型电机尽管可以获得较为正弦的空载感应电势与较小的定位力矩（齿槽转矩） 但是其高次谐波的绕组因数会显著增加，增加高频损耗，尤其当电机需要运行于较高转速时， 这个问题更加严重。

而以本项目针对的轮毂电机而言， 又可分为直驱低速方式和带减速齿轮的高速方式两种方案。

其中，英国 Protean Electric开发了针对混合、插电混合动力和轻型纯电动车的外转子轮毂电驱动系统。该公司的产品提供了高度集成化、直驱控制的解决方案，并且能够移植到不同尺寸的应用对象中。在2013年，该公司就已经能够生产单个转矩输出 1000Nm（峰值）功率 75kW（峰值） 峰值转矩输出能力比上一代产品高出25%，重量仅为35kg，再生制动利用率高达85%。该系统能够 与传统车辆动力总成良好配合，改装成为混合动力汽车，应用在 18-24 英寸的车轮上。该公司成功应用的车型包括：沃克斯豪尔箱式货运车、广汽传祺、福特 F150 皮卡，以及 BRABUS 改装的梅赛德斯-奔驰 E 级混合动力车及纯电动车。

而全球知名的汽车部件供应商德国舍弗勒集团（Schaeffer AG）也提出了基 于其创新产品 E-Wheel Drive ，完成了驱动系统从汽车中心向轮内的转移。该公司主要采用转子结构， E-Wheel 解决方案安装在 Ford Fiesta 的两个后轮之上，概念车的路面测试具有非常好的行驶效果。

此外，英国谢菲尔德大学的研究人员成立的 Magnomatics 公司，提出了基于磁齿轮的 Pseudo Direct Drive 概念，并加入了英国汽车工业协会下的 Proving Factory机构，主要致力于磁齿轮轮毂电机及其控制的研究、生产与制造， 以获得更加平稳的输出以及更高的效率。德国的 GKN Driveline 和日本的 YASA motors 对轴向磁通轮毂电机的开发也都有一定的基础。

图5 YASA-750 R实物图

图6 YASA-750 R参数表

图7 YASA-750 R外形图

图8 YASA-750 R 800V MAP图

图9 YASA-750 R 400V MAP图

图10 YASA-750 R系统效率图

转子永磁型结构的优势与不足：

无论是学术界还是工业界， 四轮独立驱动轮毂电机结构以转子永磁型表面贴装式为主，电机相数多为三相，集中式绕组居多。单轮 大功率轮毂电机（大于 12kW）一般为水冷方式，硅钢片材料以 0.35mm 为主，直驱形式的电机最高转速一般小于 1200r/min。

1. 在采用集中式电枢绕组的条件下，产生正弦感应电势的设计要求较高；
2. 电枢磁场与永磁磁场相互耦合大，退磁风险较高；
3. 若永磁体采用表贴式，则需在转子轭部开槽固定，易产生极间漏磁， 影响电机功率密度；
4. 若永磁体采用径向内置式，则每极磁通可能较小，且增加永磁体厚度， 必然导致转子轭部减小，增加轭部饱和；
5. 若永磁体采用切向内置式，转子齿弧与永磁体充磁长度在空间上互相约束，进而限制了最优结构参数下的永磁体利用率及转矩脉动比。

因此，轮毂电机需要以提高驱动系统的转矩密度、动态响应能力、高效区范围、集成度、可靠性及容错运行能力为目标，提出并研究一种多单元转子永磁磁通切换型轮毂电机驱动系统。

全文完~