分布式驅(qū)動系統(tǒng)用輪轂電機(jī)及其技術(shù)綜述

章恒亮花為應(yīng)用輪轂電機(jī)的分布式驅(qū)動型電動汽車在系統(tǒng)效率、車身控制、平臺開發(fā)等方面具有突出優(yōu)勢，是新一代電動汽車領(lǐng)域的研點和重要發(fā)展方向。該文對比分析電動汽車集中式驅(qū)動與分驅(qū)動的技術(shù)優(yōu)缺點，指出分布式驅(qū)動系統(tǒng)用輪轂電機(jī)具有巨發(fā)展?jié)摿?；介紹國內(nèi)外學(xué)者在輪轂電機(jī)拓?fù)鋭?chuàng)新方面做的工作，述振動分析與抑制、溫升計算與冷卻、多目標(biāo)優(yōu)化與算法加三大輪轂電機(jī)優(yōu)化設(shè)計研究領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展，提出全局性多場分析優(yōu)化理論的技術(shù)空白；闡明驅(qū)動控制領(lǐng)域的研究主要單電機(jī)層的高性能控制與容錯控制、整車層的多電機(jī)協(xié)同控開；最后，該文總結(jié)分布式驅(qū)動輪轂電機(jī)的研究進(jìn)展，展望近年來，電動汽車憑借其高效率、低排放的顯著國政府的高度重視和大力支持。國務(wù)院《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》指出“近年完善產(chǎn)業(yè)布局，新能源汽車已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向和促進(jìn)世界經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的重要引擎”。由此可見，加動汽車的發(fā)展已上升到國家戰(zhàn)略高度，且該戰(zhàn)略將成為我國2種。所謂集中式驅(qū)動，就是用電機(jī)系統(tǒng)取代汽車于集中式驅(qū)動架構(gòu)，由于在動力結(jié)構(gòu)上基本繼承了傳統(tǒng)速箱、差速器以及傳動軸等主要傳動部件，對整車動力改動較少，控制技術(shù)相對成熟，是現(xiàn)階段電動汽車的主至于分布式驅(qū)動系統(tǒng)，其顯著的結(jié)構(gòu)特征是到每個車輪，主要分為輪邊電機(jī)。驅(qū)動和輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)。輪邊電機(jī)驅(qū)動是指電機(jī)裝在車輪邊上，并單獨驅(qū)動該車輪，動力結(jié)構(gòu)為“電機(jī)-減速器-車輪”；輪轂電機(jī)驅(qū)動是指電機(jī)1分布式驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢可以發(fā)現(xiàn)分布式驅(qū)動系統(tǒng)動力傳輸結(jié)構(gòu)更簡潔，動力高。此外，如圖2所示，由于分布式輪轂驅(qū)動系統(tǒng)獨立控制的輪轂電機(jī)，4個車輪的動力可以實現(xiàn)全場景轉(zhuǎn)矩矢量可以發(fā)現(xiàn)，集中式驅(qū)動的優(yōu)點主要集中在電機(jī)與電控熟，整車研發(fā)成本相對較低；缺點主要是傳動結(jié)構(gòu)復(fù)率低，這是由其內(nèi)在結(jié)構(gòu)決定的，屬于不可改變的缺從科技發(fā)展的宏觀角度來看，分布式驅(qū)動系統(tǒng)取代集中式驅(qū)統(tǒng)是技術(shù)發(fā)展的趨勢。輪轂電機(jī)作為分布式驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，內(nèi)外研究團(tuán)隊已經(jīng)對面向分布式驅(qū)動系統(tǒng)的輪轂電機(jī)技術(shù)展廣泛且深入的研究。然而，縱觀全球，還有一款應(yīng)用輪轂電分布式驅(qū)動電動汽車實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)銷售。究其原因，輪轂性要求，輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度、綜合效率、溫升管理、等方面的性能依然亟待提升。并且，配合該特殊應(yīng)用場控制方法也需要繼續(xù)研究。本文將從輪轂電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)場分析與優(yōu)化、輪轂電機(jī)驅(qū)動控制等方面對當(dāng)前的輪轂2輪轂電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間尺寸和冷卻條件不變的情況下，通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、溫升、效率等參數(shù)的變化。為了提升輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度、電機(jī)效率、溫升表現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對輪轂電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)將主要介紹徑向磁通輪轂電機(jī)的拓?fù)溲芯窟M(jìn)展，2.5向磁通輪轂電機(jī)的進(jìn)展?？紤]到徑向磁通輪轂電機(jī)拓?fù)溲芯康亩噢D(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，也是當(dāng)前在輪轂驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用最轉(zhuǎn)子齒槽配比、定子槽型、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、永磁體排列方式分布形式對徑向磁通永磁無刷輪轂電機(jī)的效率、轉(zhuǎn)矩、損耗能的影響。研究表明，采用“內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子”、“多極對計”、“強(qiáng)制水冷”等綜合設(shè)計方法可保證輪轂電機(jī)能夠滿車驅(qū)動性能的要求。韓國科學(xué)技術(shù)院Shi-UkChung等提出了一鐵芯極和永磁極交替排列，在減少永磁材料用量的同時提高阻轉(zhuǎn)矩，提升了永磁材料利用率，實現(xiàn)了寬調(diào)速高電機(jī)，有效提高了轉(zhuǎn)矩密度，降低諧波損耗。同時，削弱了轉(zhuǎn)矩，增加了轉(zhuǎn)矩輸出的平穩(wěn)性。熱、應(yīng)力、退磁約束的條件下，具備高功率東南大學(xué)花為等提出2種構(gòu)型的輻條式永磁(spoke-兩種輪轂電機(jī)的比較可知，這兩種拓?fù)渚邆涓髯缘闹鲁浯判蚐TPM輪轂電機(jī)擁有更強(qiáng)的弱區(qū)；相對充磁型STPM輪轂電機(jī)具有更高的此外，圍繞STPM輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)電機(jī)”概念和“氣隙磁場調(diào)制”理論引入輪轂電機(jī)作中。磁齒輪電機(jī)與轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的主要區(qū)別同步電機(jī)只依靠電機(jī)的基波磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而磁齒氣隙中的多種諧波磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此，后者的轉(zhuǎn)前者。在“氣隙磁場調(diào)制”理論的基礎(chǔ)上，越來越種高轉(zhuǎn)矩密度、低損耗、高效率的磁齒輪復(fù)合永磁輪轂成功應(yīng)用于奧迪AudiA8Quattro層氣隙，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且永磁體用量較多，電機(jī)的設(shè)計憑借磁齒輪“自減速”效應(yīng)帶來的高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)受到了眾多輪轂電機(jī)研究人員的青睞。氣隙諧波調(diào)制理論出發(fā)，提出了一種高功率計進(jìn)行了全面的研究(參見圖8)。結(jié)果表明：永磁游標(biāo)電機(jī)中的永磁損耗較常規(guī)電機(jī)更大，獲取較大的扭矩輸出往往需要產(chǎn)生較大的永磁損耗。通過對永磁體形狀的調(diào)整，可以使得轉(zhuǎn)矩輸出性能得到一定的提升。除此以外，采用交替磁極轉(zhuǎn)子，可以減少永磁體用量，通過提升磁阻轉(zhuǎn)矩的方式彌補(bǔ)了永磁轉(zhuǎn)矩的損失。輪轂電機(jī)通常工作在狹窄惡劣的環(huán)境中，這給了挑戰(zhàn)。上文所述的轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的磁體置于冷卻更加困難。針對該場景，定子永磁無刷電為該型電機(jī)的電樞繞組和永磁體均位于定子上文獻(xiàn)[31-32]研究了輕型車輛用磁通切機(jī)氣隙磁密高、效率高、轉(zhuǎn)矩密度大、轉(zhuǎn)矩脈動合輪轂電機(jī)應(yīng)用。文獻(xiàn)[33]在該拓?fù)涞幕A(chǔ)上提出化設(shè)計。江蘇大學(xué)朱孝勇等則從提升電機(jī)空間利用率但是其定子空間競爭壓力大，導(dǎo)致其依然存在過載能力不足的缺點，優(yōu)勢，因此有學(xué)者致力于開關(guān)磁阻型輪轂電機(jī)另一方面，美國阿克倫大學(xué)SeungdeogCh動系統(tǒng)的同步磁阻電機(jī)進(jìn)行了多物理場分析與優(yōu)化越的性能，具體表現(xiàn)為更高的功率密度、更低的與永磁電機(jī)相比，磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度低始終是香港理工大學(xué)研究團(tuán)隊提出了新型混合磁阻電機(jī)(電機(jī)結(jié)與徑向磁通型電機(jī)相比，軸向磁通型電機(jī)具有結(jié)度高、繞組端部短和振動噪聲小的優(yōu)點，在輪轂電機(jī)領(lǐng)域具有一華中科技大學(xué)辜承林等較早地對軸向磁通型研究。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)徑向磁通型結(jié)構(gòu)相比，軸向磁具有轉(zhuǎn)矩密度高、相間電磁耦合弱、低速性能強(qiáng)等特點材料，需在電機(jī)輸出側(cè)安裝減速齒輪以提高輸出轉(zhuǎn)矩香港大學(xué)鄒國棠等嘗試將單一直流勵磁源引入軸向磁輪轂電機(jī)，提出了一種無永磁的軸向磁通型雙凸極電勵磁針對輪轂驅(qū)動系統(tǒng)實際性能需求，東南大學(xué)花為等對比向磁通輪轂電機(jī)的工程化方面做了大量工作，包括軟磁復(fù)合軸向電機(jī)中的應(yīng)用、聚醚醚酮制作電機(jī)支架、定子環(huán)氧灌封綜上所述，在輪轂空間尺寸有限的限制條件下，輪向著高轉(zhuǎn)矩(功率)密度方向發(fā)展，從而進(jìn)一步提高電動汽車驅(qū)統(tǒng)性能。當(dāng)前，各種輪轂電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與示。輪轂電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究主要圍繞以下幾點展開：3輪轂電機(jī)多物理場分析與優(yōu)化隨著輪轂電機(jī)技術(shù)研究的不斷深入，研究重點不再限于電磁有效散熱、噪聲抑制以及高性能優(yōu)化方法也已成為該領(lǐng)域轉(zhuǎn)矩密度是輪轂電機(jī)最重要的性能指標(biāo)，而實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩帶來電機(jī)熱管理的難題，并且考慮到輪轂電機(jī)實際結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，需要從分析電機(jī)損耗出發(fā)，構(gòu)建精確溫升模型現(xiàn)電機(jī)的有效冷卻。本節(jié)總結(jié)了輪轂電機(jī)損耗分析、溫耦合計算、循環(huán)工況仿真等方面的代表性工作，并且給損耗分析是溫升分析的基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者對輪轂電機(jī)產(chǎn)生機(jī)理與抑制方法做了深入研究。其中，南京航空航天大學(xué)張卓然等通過對定子無鐵心軸向磁場永磁輪轂電機(jī)的分析，構(gòu)建較為全面的輪轂電機(jī)銅耗與渦流損耗分析計算模型，給出了導(dǎo)線選模型提出輻條式永磁輪轂電機(jī)的鐵耗精確計算模型，通過子域法求得電機(jī)氣隙、齒部、軛部、磁橋等關(guān)鍵區(qū)域的磁場分布，進(jìn)而得到各區(qū)域的鐵耗以及電機(jī)總鐵耗。在損耗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，配合相應(yīng)的傳熱屬性與散熱條件，電機(jī)的溫升計算即可展開。英國布磁場強(qiáng)度和繞組規(guī)格下的轉(zhuǎn)矩密度、損耗和溫升情況進(jìn)行對比分展了研究，提出了按損耗分布精確添加熱負(fù)荷的溫并且針對電機(jī)繞組溫升預(yù)測，提出了一種較為精準(zhǔn)東南大學(xué)花為等從場路耦合的角度對永磁輪轂電機(jī)溫研究，通過構(gòu)建熱網(wǎng)絡(luò)模型與電磁有限元模型之間的數(shù)此外，基于汽車行駛工況，對電動汽車用輪轂電機(jī)做了溫升分析，主要研究了長時間爬坡以及加速條件下的溫子繞組是全電機(jī)溫度最高的部件，其中端部方式廣泛應(yīng)用在電動摩托車，低速無人車等小功率應(yīng)輪轂電機(jī)自冷技術(shù)的研究，主要圍繞新型電機(jī)拓?fù)涞恼归_。研究了自冷型軸向磁通輪轂電機(jī)的熱管理，提輪轂電機(jī)的水冷研究主要圍繞冷卻液流道優(yōu)化展開。將冷卻液流道擴(kuò)充到固定繞組模塊的定子齒中，實現(xiàn)了電機(jī)繞組綜合分析了流道與定子槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)對輪轂電機(jī)散熱效果的影響，并提出了優(yōu)化方法。研究表明：為了獲得較好的天津大學(xué)王曉遠(yuǎn)等將變壓器油直接注入電機(jī)內(nèi)部作為冷卻介質(zhì)，實現(xiàn)了輪轂電機(jī)的油內(nèi)冷卻。研究發(fā)現(xiàn)，該方案與自然冷卻相比，振動噪聲是衡量車輛駕乘體驗的重要指標(biāo)，由于應(yīng)用輪分布式驅(qū)動電動汽車尚未實現(xiàn)量產(chǎn)銷售，當(dāng)前針對輪轂電機(jī)動噪聲分析尚處于起步階段，并未形成較高的熱度。并且，的研究主要偏重于輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)分析與電磁力優(yōu)化，少部分考慮了輪轂電機(jī)集成于車輛之后的振動噪聲，但尚未形成理進(jìn)行建模分析。首先，通過麥克斯韋應(yīng)力張量法計算了永過模態(tài)測試驗證了該模型；然后，根據(jù)有限元計算型中的節(jié)點力矩陣，預(yù)測了轉(zhuǎn)子振動。最后，了電機(jī)的振動噪聲。進(jìn)一步地，在文獻(xiàn)[72-74]中運(yùn)用類分析研究了軸向磁通型永磁輪轂電機(jī)的振動噪聲(參見圖2文獻(xiàn)[75]通過對定子進(jìn)行精確建模和模態(tài)分析的振動特性進(jìn)行了預(yù)測分析。首先，采用經(jīng)驗公式與修正公式并舉的方式，結(jié)合材料特性對各部件進(jìn)行等效建模。然后，分析了各類接觸情況下的有限元模型建立方法。為了定性且定量地分析輪轂電機(jī)氣隙電磁力，文獻(xiàn)[76]提出了一種氣隙磁導(dǎo)與自適應(yīng)磁網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合建模的方法，通過氣隙磁導(dǎo)模型有針對性地對主要磁密諧波進(jìn)行了優(yōu)化抑制。然后，采用磁網(wǎng)絡(luò)模型對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化。文獻(xiàn)[77]則深入分析了輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子與軸承之間的耦合振動對整車動態(tài)性能的影響，研究表明該影響主要由輪胎振動加速度和動態(tài)載荷決定。通過合適的懸掛設(shè)計，耦合振動對整車動文獻(xiàn)[79]利用數(shù)值分析方法研究了結(jié)構(gòu)與偏心參數(shù)對開關(guān)轂電機(jī)徑向電磁力的影響，構(gòu)建了電機(jī)、車輛、懸掛聯(lián)合模型，并且將車輛垂直加速度作為控制對象，實現(xiàn)了不同工況振動控制。針對含有減速器的輪轂驅(qū)動系統(tǒng)，文獻(xiàn)[80]提種采用輪端與電機(jī)端雙編碼器的控制技術(shù)，可以有效抑機(jī)的優(yōu)化設(shè)計屬于復(fù)雜約束下的多目標(biāo)優(yōu)化問題，這驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化存在較大區(qū)別。輪轂電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計研天津大學(xué)王曉遠(yuǎn)等將仿效自然選擇和基因突變算法引入到永磁輪轂電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計中，顯著減小了齒提升了轉(zhuǎn)矩密度。美國阿克倫大學(xué)SeungdeogChoi齒槽配合、定轉(zhuǎn)子斜極、磁障優(yōu)化在永磁輔助型同步磁轉(zhuǎn)矩波動優(yōu)化中的可行性，并采用解析計算與有限元仿法，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子刻線與磁障形狀的方式削弱了轉(zhuǎn)矩波平均轉(zhuǎn)矩。山東大學(xué)宮金林等分析優(yōu)化了基于軟磁復(fù)合磁通型永磁輪轂電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，研究了極弧系數(shù)、轉(zhuǎn)子極靴對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，并基于這些影響利用遺傳算設(shè)計中，該算法把“平均輸出轉(zhuǎn)矩”、“電機(jī)諧波含量”以及“轉(zhuǎn)矩波動幅值”等參數(shù)作為優(yōu)化。結(jié)果表明，敏感度分析和多目標(biāo)優(yōu)化算江蘇大學(xué)朱孝勇等基于多層設(shè)計方法，提出磁通切換輪轂電機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化模型。該模型基于經(jīng)驗公式以及參數(shù)靈敏度分析結(jié)果，將磁通切換型定子永磁輪轂電機(jī)的設(shè)計參數(shù)分為兩層。隨后，這兩層設(shè)計參數(shù)被分別優(yōu)化以獲取最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩輸出、除此以外，還有學(xué)者針對復(fù)雜工況導(dǎo)致的巨大的優(yōu)化計算提出了相應(yīng)的快速優(yōu)化算法。文獻(xiàn)[87]提出了一種基于機(jī)模型的永磁輪轂電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化模型，將電機(jī)看作徑的可擴(kuò)展模型，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)電動汽車的工作周期數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[88]則充分考慮了當(dāng)前典型的幾種電動汽了循環(huán)工況代表性工作點提取技術(shù)，并且配合響應(yīng)面過程精確整定、散熱路徑創(chuàng)新優(yōu)化展開。輪轂電機(jī)的振要為利用有限元、磁網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)驗公式對特定結(jié)構(gòu)的驅(qū)動具體的性能分析與優(yōu)化?？傮w而言，溫升與振動的研究依然薄弱，全局性的分析優(yōu)化理論尚屬空白，亟待后續(xù)科研人員的輪轂電機(jī)的優(yōu)化方法研究主要沿著兩條路線展開：均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動；4輪轂電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)制、協(xié)同控制3個方面展開。需要指出的是，常規(guī)電機(jī)的控制算法亦可用于輪轂電機(jī)系統(tǒng)中，本文不予贅述，主要關(guān)注輪轂驅(qū)動這一特殊場景下的特有控制問題。高性能控制面向電機(jī)正常工作情況下的性能提升，包括響應(yīng)速度、控制魯棒性、控制誤差等；容錯控制面向多相繞組架構(gòu)下的故障后控制，主要包括繞組故障和傳感器故障；協(xié)同控制為分布式驅(qū)動架構(gòu)下的多電機(jī)協(xié)文獻(xiàn)[89]分析輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中電機(jī)電磁激間的機(jī)電耦合機(jī)理，提出通過周期性切除電磁力輸出的方式抑制電機(jī)氣隙變形以及電磁力不平衡的控制方法，削弱了機(jī)電耦合對文獻(xiàn)[90]基于降階擾動觀測器提出了一種改進(jìn)預(yù)測控制技術(shù)，將預(yù)估的擾動作為一拍時滯和定子電壓的前饋補(bǔ)償，解決了由于參數(shù)失配和擾動帶來的輪轂電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)跟蹤誤文獻(xiàn)[91]提出了一種基于載波移相的輪轂電機(jī)無位置控制技術(shù)，基于載波移相的脈沖信號對應(yīng)的等效狀態(tài)模型，結(jié)合決了輪轂電機(jī)在初始狀態(tài)及超低速運(yùn)行時轉(zhuǎn)子位置檢對于輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車而言，電機(jī)突然故障下的會造成車身的不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)交通安全事故，因此，輪轂的容錯控制是非常重要的研究點。相運(yùn)行的矢量控制算法，有效抑制了缺相故障下的轉(zhuǎn)哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍等提出一種結(jié)構(gòu)新穎的五相永磁輪對其開路和短路故障下的容錯性能進(jìn)行研究，并提出了東南大學(xué)樊英等