摘 要

电动汽车是一种新能源汽车，因其对环境影响相对传统汽车较小，拥有广阔的前景，人们普遍视其为未来汽车动力系统转型的发展方向。而由轮毂电机技术驱动的电动汽车，以其机械结构一体化的独特优势，将成为电动汽车的重要研发领域。

本次本科毕业设计对电动汽车的轮毂驱动技术的国内外研究现状和面临的主要问题机进行了详细的学习和分析，在现有的盘式轮毂驱动用盘式电机基础上，主要设计了电机外壳和连接装置，完成了驱动轮的总体结构设计，解决了电动轮轮内空间的布置问题。

首先确认汽车基础车型的基本动力要求，选择电机类型及驱动方式，确认轮内主要结构部件，如轮毂电机、轮毂轴承、制动装置及悬架等的结构形式和工作原理。分析比较各零部件在轮内的配合方式，完成电动轮的总体布局方案设计，并进行电动轮装配的三维建模。然后对所设计的驱动轮模型进行了力学仿真，验证本次设计的安全可靠性。

关键词：电动汽车；轮毂电机；结构设计；力学仿真

Abstract

Electric vehicle is a kind of new power system vehicle,because of its smaller environmental impact than the traditional vehicle,it has a broad prospect.People generally regard it as the future transformation of the automotive power system .The electric vehicle driven by in-wheel motor ,with the advantage of integrative technology of mechanism and structure,will become an important research and development field of electric vehicle.

In this dissertation，I studied and analyzed the research status and main problem of electric vehicle driven by hub motor.Based on the existing disc hub motor,mainly design the motor shell and connection device. Accomplished the overall structure of driving wheel and solved the arrangement problem of spatial layout.

Firstly, I confirmed the basic dynamic requirements of the automobile basic model, selected the type of motor and driving method,then confirmed the main structure parts in the wheel, such as hub motor, hub bearing, brake device and suspension. Analyzed and compared the matching modes of the parts in the wheel, complete the overall layout design of the electric wheel, and carry out the three-dimensional assembly model of the hub wheel . Then the mechanical simulation of the designed driving wheel model is carried out to verify the safety and reliability of the design.

Key words: electric vehicle, hub motor, structural design, mechanical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 轮毂电机驱动技术的研究现状 1

1.2.1 国内外研究现状 1

1.2.2 轮毂电机驱动技术应用情况 2

1.2.3 轮毂电机驱动技术现存问题 3

1.3 论文主要研究内容 4

第2章 驱动轮设计目标与任务确定 4

2.1 轮毂驱动电机比较 4

2.2 轮毂电机结构形式确定 5

2.2.1永磁无刷定子结构 5

2.2.2永磁无刷电机永磁体 6

2.3 轮毂电机驱动方式选择 7

2.4 驱动轮设计参数确定 9

2.5 本章小结 10

第3章 盘式轮毂驱动轮机械结构设计 10

3.1 直驱式轮毂电机工作原理 10

3.2 轮毂电机的散热方案确定 10

3.3 车轮设计要求及方法 10

3.3.1 设计要求 10

3.3.2 设计方法 11

3.4 驱动轮结构造型设计 12

3.4.1 永磁电机结构 13

3.4.2 轮辋结构设计 13

3.4.3 轮毂轴承结构形式 14

3.5 电动轮制动装置 16

3.6 电动轮连接装置 17

3.7 本章小结 18

第4章 轮毂有限元分析 19

4.1 轮毂受力分析 19

4.2 轮毂材料的选择 20

4.3 加载分析 21

4.4 主轴校核 23

4.5 本章小结 24

第5章 总结与展望 24

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，世界工业科技水平不断进步，汽车改变了人们的出行方式，提高了人们的生活水平，已成为人们社会生活必不可少的工具。石油短缺和环境污染等问题随之而来。石油资源的匮乏是一个世界性的难题，引起了包括我国南海争端在内的世界局部地区局势震荡。化石燃料燃烧释放大量一氧化氮等有害气体，影响城市空气质量，加剧全球温室效应。全球汽车产业未来是否能够走可持续发展道路值得质疑，传统燃料能源消耗的减少，和各类污染物的治理是汽车技术未来发展的主要目标。纯电动汽车有害气体排放量为零、传动效率高、噪声震动小，电动汽车的研究是否能够取得进步，其应用能否得到推广，是解决汽车行业能否突破发展瓶颈的关键。

电动轮的轮毂电机主要有两种驱动方式：内转子型轮毂电机的驱动方式是减速驱动，外转子型轮毂电机的驱动方式是直接驱动。轮毂电机布置在电动轮内时有三种不同的连接方法：固态连接型电动轮，此类型中计算簧下质量时将轮毂电机的质量包含进去；动态吸振型电动轮，此类型中轮毂电机为电动轮提供动力的同时，还能作为减震器吸收动态振动；盘式轮毂电机，此类型中轮毂电机中的定子质量才被计算为簧上质量^[1]。电动车可根据俄不同驱动需要布置电动轮，可单独布置前轮或者后轮为电动轮实现两电动轮前驱或后驱，或将全车四个车轮全部布置为电动轮实现四轮驱动，或者布置两个电动轮和两个普通车轮共同驱动。

与传统汽车相比，轮毂电机这种电动汽车的先进驱动方式存在以下优点：

（1）轮毂电机技术将集成了减速器的电机直接布置在轮毂内，由轮边电机直接驱动，不存在传统汽车必须的差速器、半轴甚至二级变速装置等复杂的机械传动机构。提高了汽车传动过程的效率，减少了传动机构摩擦等非必要能量损失，提高了整车效率。

（2）从整车角度看，可取消传统后驱车车箱后排地板上的凸起，增大了汽车内部车箱的空间利用率，易实现低底板车型。整车布置设计拥有较大灵活操作空间，可使载荷分布更为合理。

（3）拥有汽车车轮独立控制的特性，能够实现多轮多轴传动、差速转向等复杂驱动方式，便于实现新能源车技术。

（4）驱动轮转矩响应快速准确，瞬时动态性能优越，提高了电动汽车的行驶稳定性。易于实现电子控制刹车、再生制动。

1.2 轮毂电机驱动技术的研究现状

1.2.1 国内外研究现状

轮毂电机的最早原型诞生于1900年，保时捷制造出了一种电动汽车，汽车的两个前轮均配备了轮毂电机，上世纪50年代，来自美国的的罗伯特就申请了直接将电机安装在车轮中的轮毂电机结构专利，该结构集电机、传动机构、制动装置为一体，1968年，通用公司首先将该结构推行于大型矿用自卸车上^[2]。

国外研究人员对轮毂电机驱动技术，针对其机械结构、电机控制方法和驱动性能分析等方面做了一系列的研究。

在美国，Susono 等人对轮毂电机的转子外壳研究出了创新结构，将普通的一体式封闭外转子改进为网状结构，增大散热面积，加快空气流速，提高电机散热效率，并对此申请了发明专利，名为“一种轮毂电机的冷却结构”^[3]。

2012年，Juris Peter 等人研究了温度对电机性能的影响。轮毂电机定子绕组通电后温度升高，对永磁电机定子硅钢片材料钕铁硼（Nd-Fe-B）特性产生影响。对电机输入不同周期的负载信号，温度对轮毂电机的结构参数和能量损耗产生不同的影响。。制作了轮毂电机的热电磁耦合仿真模型，分析电机磁饱和度，计算能量消耗，证明温度影响电机的功率损耗，温度过高可能会对永磁铁的去磁效应产生影响，甚至导致电机故障^[4]。

同年，Alexander Kock等人将通常轮毂电机使用的三相绕组改进为六相绕组，使这种改进后的系统能够输出较高的转矩，在电机突发失效时能够利用制动转矩补偿特性，对制动力矩进行补偿，使该六相轮毂电机系统具有高度容错性^[5][6]。

国内对轮毂电机技术的研究起步较晚，但随着对清洁能源汽车的关注度日益提升，国内研究人员对轮毂电机驱动技术也进行了较为系统和全面的研究。

2009 年，孟磊等人，对电机中水冷结构布置进行了研究将冷却水道布置在电机定子硅钢片、定子绕组和电机转子外壳体间，流动的冷却水环流，吸收电机的定子、转子工作时产生的热^[7]。这样的新型水道结构设计同时满足了定子绕组、定子硅钢片的散热需要，提升了电机内部的冷却效果。申请了名为“一种机电集成化车轮电机”的发明专利。

2015 年，陈龙等人对传统汽车悬架做出了改进，使其适用于轮毂电机驱动的电动车。这种改进后的悬架拥有两个独立的控制臂，不同于传统麦弗逊悬架的单个下三角控制臂，两个控制臂与转向节间均为铰链连接。通过建立这种新型前悬架系统模型及其多体力学模型，比较和剖析了改进前后的车轮悬架定位参数，证明了这种新型悬架系统与电动轮驱动的电动汽车有很高的相适性，定位参数相较于原车有所提升，汽车的抗侧倾能力得到了进一步的优化^[8]。

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