电动车 - 分布式驱动系统用轮毂电机及其技术综述

应用轮毂电机的分布式驱动型电动汽车在系统效率、车身控制、平重要发展方向。该文对比分析电动汽车集中式驱动与分介绍国内外学者在轮毂电机拓扑创新方面做的工作，总结制、温升计算与冷却、多目标优化与算法加速这三大轮设计研究领域的技术进展，提出全局性多物理场分析优与容错控制、整车层的多电机协同控制展开；最后，该文规划(2021—2035年)》指出“近年来，世界主要汽车大国纷纷加强战略谋划、强化政策支持，跨国汽车企业加大研发业布局，新能源汽车已成为全球汽车产业转型发展的主要分为集中式驱动和分布式驱动2种。所谓集中式驱动，电机系统取代汽车的燃油发动机，而保留原有的机械国特斯拉(Tesla)汽车公司的Model系列电动汽车可以看作是集中式承了传统汽车的变速箱、差速器以及传动轴等主要传车动力系统布局改动较少，控制技术相对成熟，是现的主流驱动架构。至于分布式驱动系统，其显著的结驱动和轮毂电机驱动2种动力结构。轮边电机驱动是指电机轮毂电机驱动是指电机直接嵌在车轮内，单独驱动该车轮，动力传制的轮毂电机，4个车轮的动力可以实现全场从科技发展的宏观角度来看，分布式驱动系统取代集是技术发展的趋势。轮毂电机作为分布式驱动系统的关键研究团队已经对面向分布式驱动系统的轮毂电机技术展开深入的研究。然而，纵观全球，还有一款应用轮毂电机的动电动汽车实现大规模量产销售。究其原因，轮毂电机的度不足是不可忽视的重要因素。为了满足分布式驱动电动汽力性、操稳性、可靠性、舒适性要求，轮毂电机的转矩密效率、温升管理、振动噪声等方面的性能依然亟待提升。合该特殊应用场景的电机控制方法也需要继续研究。本文电机拓扑结构、多物理场分析与优化、轮毂电机驱动控制尺寸和冷却条件不变的情况下，通过拓扑结构的变通轮毂电机的进展。考虑到径向磁通轮毂电机拓扑研究的多样性，本文依据其工作原理，进一步将其分为转子永磁同步电机2.1转子永磁同步电机齿槽配比、定子槽型、转子结构、永磁体排列方研究表明，采用“内置式永磁转子”、“多极对水冷”等综合设计方法可保证轮毂电机能够满足求。韩国科学技术院Shi-UkChung等提出了一种转子表贴式磁极交替分割型永磁轮毂电机(如图3所示排列，在减少永磁材料用量的同时提高了磁阻转应力、退磁约束的条件下，具备高功率密度和高转矩密度点。东南大学花为等提出2种构型的辐条式永磁(spoke-种轮毂电机的比较可知，这两种拓扑具备各自的性能优磁型STPM轮毂电机拥有更强的弱磁性能、更宽的恒功对充磁型STPM轮毂电机具有更高的效率、更强的转矩2.2磁齿轮电机电机”概念和“气隙磁场调制”理论引入轮毂电机作中。磁齿轮电机与转子永磁同步电机的主要区别同步电机只依靠电机的基波磁场产生转矩，而磁齿前者。在“气隙磁场调制”理论的基础上，越来越种高转矩密度、低损耗、高效率的磁齿轮复合永磁轮毂成功应用于奥迪AudiA8Quatt的高效稳定运行(参见图6)[23]。然而，该类磁齿轮复合电凭借磁齿轮“自减速”效应带来的高转矩密度电机受到了众多轮毂电机研究人员的青睐。气隙谐波调制理论出发，提出了一种高功率机(参见图7)，理论分析与测试结果表明，该电哈尔滨工业大学柴凤等围绕辐条式永磁游标轮毂电机的分析与设计进行了全面的研究(参见图8)。结果表明：永磁游标电机中的永磁损耗较常规电机更大，获取较大的扭矩输出往往需要产生较大的永磁损耗。通过对永磁体形状的调整，可以使得转矩输出性能得到一定的提升。除此以外，采用交替磁极转子，可以减少永磁体用量，通过提升磁阻转矩的方式弥补了永磁转矩的损失。轮毂电机通常工作在狭窄恶劣的环境中，这给了挑战。上文所述的转子永磁电机的磁体置于为该型电机的电枢绕组和永磁体均位于定子上文献[31-32]研究了轻型车辆用磁通切机气隙磁密高、效率高、转矩密度大、转矩脉动合轮毂电机应用。文献[33]在该拓扑的基础上提出了化设计。江苏大学朱孝勇等则从提升电机空间利用率为应对潜在的稀土永磁危机，专家学者们对少稀开关磁阻电机结构简单的特点在轮毂驱动系统开发中具有一定的另一方面，美国阿克伦大学SeungdeogChoi等对应用于轮毂驱动系统的同步磁阻电机进行了多物理场分析与优化(电机结构参见图11)。结果表明：外转子同步磁阻电机较内转子结构具有更卓越的性能，具体表现为更高的功率密度、更低的反电势谐波和更与永磁电机相比，磁阻电机的转矩密度低始终是一大弱点，为了解决这一问题，有学者从磁阻电机拓扑创新的角度展开了研究。香港理工大学研究团队提出了新型混合磁阻电机(电机结构参见图12)，将永磁体嵌入定子槽口以抵消零序电流产生的磁场偏置，进而缓解了定子铁心的饱和现象，实现了电机转矩密度的提升。2.5轴向磁通电机与径向磁通型电机相比，轴向磁通型电机具有结构紧凑、转矩密度高、绕组端部短和振动噪声小的优点，在轮毂电机领域具有一华中科技大学辜承林等较早地对轴向磁通型永磁轮毂电机开展了研究。结果表明：与传统径向磁通型结构相比，轴向磁通型电机具有转矩密度高、相间电磁耦合弱、低速性能强等特点，特别适用于电动汽车低速大转矩轮毂驱动系统中。日本北海道大学学者提出了一种轴向磁通型永磁轮毂电机(参见图有效提高了集成度与转矩密度。但由于选用了剩磁较低的铁氧体材料，需在电机输出侧安装减速齿轮以提高输出转矩，增加了轮毂电机的重量、成本和制造复杂度，同时也引入了额外的振动和香港大学邹国棠等尝试将单一直流励磁源引入轴向磁通型双凸极轮毂电机，提出了一种无永磁的轴向磁通型双凸极电励磁电机(参见图14)。该方案虽然实现了电机气隙磁场的灵活调节与宽调速运行，但受励磁损耗影响，电机的整体运行效率难以提升。针对轮毂驱动系统实际性能需求，东南大学花为等对比研究了不同拓扑轴向磁通电机的电磁性能(参见图15)。研究发现，YASA电机的转矩输出能力和调速范围最佳，NS充磁相比NN充磁的除此以外，上海大学黄苏融等、南京航空航天大学张卓然等、德国卡尔斯鲁厄理工学院M.Doppelbauer等国内外科研团队还在轴向磁通轮毂电机的工程化方面做了大量工作，包括软磁复合材料在轴向电机中的应用、聚醚醚酮制作电机支架、定子环氧灌封加固、永磁体充磁方向优化等，这为轴向磁通电机的产业化奠定了基础。综上所述，在轮毂空间尺寸有限的限制条件下，轮毂电机拓扑结构向着高转矩(功率)密度方向发展，从而进一步提高电动汽车驱动系统性能。当前，各种轮毂电机拓扑结构的优势与不足总结如表2所示。轮毂电机拓扑结构研究主要围绕以下几点展开：2）增强气隙磁密，如定子磁通切换型永磁电机的。“聚磁效应”；3）提高电机极对数，如复合磁齿轮永磁轮毂电机；4）扩展电枢绕组空间，如采用开口槽定子结构。3.1温升分析与冷却技术随着轮毂电机技术研究的不断深入，研究重点不再限于电磁性，有效散热、噪声抑制以及高性能优化方法也已成为该领域的研究转矩密度是轮毂电机最重要的性能指标，而实现高转矩密度往往带来电机热管理的难题，并且考虑到轮毂电机实际结构与工况的复杂性，需要从分析电机损耗出发，构建精确温升模型，进而实现电机的有效冷却。本节总结了轮毂电机损耗分析、温升建模、耦合计算、循环工况仿真等方面的代表性工作，并且给出了当前较为热门的冷却技术在轮毂电机中的应用效果。损耗分析是温升分析的基础，国内外学者对轮毂电机内部的损耗产生机理与抑制方法做了深入研究。其中，南京航空航天大学张卓然等通过对定子无铁心轴向磁场永磁轮毂电机的分析，构建较为全面的轮毂电机铜耗与涡流损耗分析计算模型，给出了导线选型原则以及效率优化方法。西北工业大学梁培鑫等基于Bertotti模型提出辐条式永磁轮毂电机的铁耗精确计算模型，通过子域法求得电机气隙、齿部、轭部、磁桥等关键区域的磁场分布，进而得到各区域的铁耗以及电机总铁耗。在损耗数据的基础上，配合相应的传热属性与散热条件，电机的温升计算即可展开。英国布里斯托大学PhilMellor对表贴式永磁轮毂电机在不同电流密度、磁场强度和绕组规格下的转矩密度、损耗和温升情况进行对比分展了研究，提出了按损耗分布精确添加热负并且针对电机绕组温升预测，提出了一种较为精准东南大学花为等从场路耦合的角度对永磁轮毂电机温研究，通过构建热网络模型与电磁有限元模型之间的数此外，基于汽车行驶工况，对电动汽车用轮毂电机做了温升主要研究了长时间爬坡以及加速条件下的温子绕组是全电机温度最高的部件，其中端部方式广泛应用在电动摩托车，低速无人车等小功率应轮毂电机自冷技术的研究，主要围绕新型电机拓扑的展开。研究了自冷型轴向磁通轮毂电机的热管理，提轮毂电机的水冷研究主要围绕冷却液流道优化展开。合肥工业大学常九健等改进了轴向磁通轮毂电机定子冷却结构(参见图18)，将冷却液流道扩充到固定绕组模块的定子齿中，实现了电机绕组的直接冷却，获得了较好的冷却效果。综合分析了流道与定子槽的结构参数对轮毂电机散热效果的影响，并提出了优化方法。研究表明：为了获得较好的冷却效果，流道的长宽比应当避开5和1/5，并且Z字型流道比螺旋流道效果更好目前，对于油冷型轮毂电机的研究尚属起步阶段，鲜有见诸报道。天津大学王晓远等将变压器油直接注入电机内部作为冷却介质，实现了轮毂电机的油内冷却。研究发现，该方案与自然冷却相比，电机内部温升更加均衡，绕组冷却效果更优。3.2振动分析与抑制技术振动噪声是衡量车辆驾乘体验的重要指标，由于应用轮毂电机的分布式驱动电动汽车尚未实现量产销售，当前针对轮毂电机的振动噪声分析尚处于起步阶段，并未形成较高的热度。并且，当前的研究主要偏重于轮毂电机结构分析与电磁力优化，少部分学者考虑了轮毂电机集成于车辆之后的振动噪声，但尚未形成理论体同济大学左曙光等对考虑多普勒效应的永磁轮毂电机的振动噪声进行建模分析。首先，通过麦克斯韦应力张量法计算了永磁体表面的电磁力；接着，建立永磁轮毂电机的转子结构模型，并且通过模态测试验证了该模型；然后，根据有限元计算得到了转子模型中的节点力矩阵，预测了转子振动。最后，通过边界元法求解了电机的振动噪声。进一步地，在文献[72-74]中运用类似的方法，分析研究了轴向磁通型永磁轮毂电机的振动噪声(参见图20)。文献[75]通过对定子进行精确建模和模态分析，对永磁轮毂电机的振动特性进行了预测分析。首先，采用经验公式与修正公式并举的方式，结合材料特性对各部件进行等效建模。然后，分析了各类接触情况下的有限元模型建立方法。为了定性且定量地分析轮毂电机气隙电磁力，文献[76]提出了一种气隙磁导与自适应磁网络联合建模的方法，通过气隙磁导模型有针对性地对主要磁密谐波进行了优化抑制。然后，采用磁网络模型对电机结构进行精细优化。文献[77]则深入分析了轮毂电机转子与轴承之间的耦合振动对整车动态性能的影响，研究表明该影响主要由轮胎振动加速度和动态载荷决定。通过合适的悬挂设计，耦合振动对整车动态性能的影响可得到有效抑制。除此以外，ZhaoZe等对轮毂电机主动振动控制展开了研究[78]。文献[79]利用数值分析方法研究了结构与偏心参数对开关磁阻轮 毂电机径向电磁力的影响，构建了电机、车辆、悬挂联并且将车辆垂直加速度作为控制对象，实现了不同工况下的主动振动控制。针对含有减速器的轮毂驱动系统，文献[80]提出了一种采用轮端与电机端双编码器的控制技术，可以有效抑制减速器导致的转矩传递不平顺以及系统振动噪声。3.3轮毂电机优化方法正如前文所述，轮毂电机的转矩密度、综合效率、温升管理、振动噪声等性能均是需要优化提升的关键指标。机的优化设计属于复杂约束下的多目标优化问驱动电机优化存在较大区别。轮毂电机的优化设计研天津大学王晓远等将仿效自然选择和基因突变算法引入到永磁轮毂电机的优化设计中，显著减小了齿提升了转矩密度。美国阿克伦大学SeungdeogChoi齿槽配合、定转子斜极、磁障优化在永磁辅助型同步磁转矩波动优化中的可行性，并采用解析计算与有限元仿法，通过优化转子刻线与磁障形状的方式削弱了转矩波磁通型永磁轮毂电机的齿槽转矩，研究了极弧系数、转子极靴对齿槽转矩的影响，并基于这些影响利用遗传算文献[84]将一种多目标优化算法应用于设计中，该算法把“平均输出转矩”、“电机谐波含量”以及“转矩波动幅值”等参数作为优化。结果表明，敏感度分析和多目标优化算江苏大学朱孝勇等基于多层设计方法，提出磁通切换型定子永磁轮毂电机的多目标优化模型。该模型基于经验公式以及参数灵敏度分析结果，将磁通切换型定子永磁轮毂电机的设计参数分为两层。随后，这两层设计参数被分别优化以获取最优的转矩输出、齿槽转矩、转矩波动结果(参见图21)。除此以外，还有学者针对复杂工况导致的巨大的优化计算负担，提出了相应的快速优化算法。文献[87]提出了一种基于可扩展电机模型的永磁轮毂电机多目标优化模型，将电机看作径向和轴向的可扩展模型，并结合标准电动汽车的工作周期数据，基于帕累托最优条件求解了以转矩和效率最优为目标的约束方程。文献[88]则充分考虑了当前典型的几种电动汽车路谱数据，提出了循环工况代表性工作点提取技术，并且配合响应面法，降低了轮毂电机大规模优化的计算时间与计算成本。目前，轮毂电机的温升与冷却研究主要围绕损耗精确计算、传热过程精确整定、散热路径创新优化展开。轮毂电机的振动研究主要为利用有限元、磁网络与经验公式对特定结构的驱动系统进行具体的性能分析与优化。总体而言，温升与振动的研究依然薄弱，全局性的分析优化理论尚属空白，亟待后续科研人员的跟进。轮毂电机的优化方法研究主要沿着两条路线展开：1）基于解析和有限元方法，运用现代优化算法(如遗传算法、进化算法等)，对电机的某一方面性能进行优化，主要优化目标为平2）运用现代优化方法，对轮毂电机进行多目标优化，约束方程当前，轮毂电机驱动控制技术研究主要围绕高性能控制、容错控制、协同控制3个方面展开。需要指出的是，常规电机的通用性控制算法亦可用于轮毂电机系统中，本文不予赘述，主要关注轮毂驱动这一特殊场景下的特有控制问题。高性能控制面向电机正常工作情况下的性能提升，包括响应速度、控制鲁棒性、控制误差等；容错控制面向多相绕组架构下的故障后控制，主要包括绕组故障和传感器故障；协同控制为分布式驱动架构下的多电机协4.1轮毂电机高性能控制文献[89]分析轮毂电机驱动系统中电机电磁激励与车辆动力学之间的机电耦合机理，提出通过周期性切除电磁力输出的方式抑制电机气隙变形以及电磁力不平衡的控制方法，削弱了机电耦合对整车控制产生的负面影响，获得更好的车辆动力学响应。文献[90]基于降阶扰动观测器提出了一种改进型无差拍定子磁链预测控制技术，将预估的扰动作为一拍时滞和定子电压的前馈补偿，解决了由于参数失配和扰动带来的轮毂电机系统稳态跟踪误文献[91]提出了一种基于载波移相的轮毂电机无位置控制技术，基于载波移相的脉冲信号对应的等效状态模型，结合绕组注入电压和计及磁饱和的电感特性，直接计算出电机转子位置角度，解决了轮毂电机在初始状态及超低速运行时转子位置检测精度不高4.2轮毂电机容错控制对于轮毂电机驱动的电动汽车而言，电机突然故障下的动力丢失会造成车身的不稳定，进而引发交通安全事故，因此，轮毂电机的容错控制是非常重要的研究点。中国科学院电工研究所温旭辉等提出了一种六相永磁同步电机缺相运行的矢量控制算法，有效抑制了缺相故障下的转矩波动。哈尔滨工业大学郑萍等提出一种结构新颖的五相永磁轮毂电机，对其开路和短路故障下的容错性能进行研究，并提出了相应的容东南大学