近兩年來輪轂電機驅動技術在EV領域開始發酵，有的企業已經動手干起來了（亞太、泰德)，更多的企業還在觀望。它的概念是什么？它的前景如何？問題又在哪里？相信是大家普遍關注的熱點。在同樣的興趣驅動下，我在電機層面作了調研。將一些概念作了系統性的架構，這樣能夠避免大家認知的碎片化和片面性，為以后深入打一個基礎。

在知識爆炸時代，信息多，時間少，知識質量也良莠不齊。莊子說：“吾生也有涯，而知也無涯”。如何提高學習的有效性？是我們這一代人共同面臨的問題。我嘗試的路線是體系化：將片段知識架構成知識晶體，小晶體又構建大晶體。但知易行難，每篇文章都是由知到行的實踐，與所有學習愛好者共勉。

什么是輪轂電機

一般而言安裝在輪輞中的電機叫輪轂電機，英文叫In-WheelMotor。但輪轂電機最近出現衍生出很多形式。很難明確界定哪一種電機是標準的輪轂電機了。

從電機的種類分，輪轂電機有軸向磁場型（盤式電機）和徑向磁場電機（普通電機）。前者的轉矩密度較高，結構更緊湊，但成本也較高，制造難度大。

在普通電機中，早期的輪轂電機基本以外轉子為主，現在內轉子的結構出現也越來越多。

外轉子的電機結構氣隙體積大，轉矩密度大，適合做成扁平狀，一般用在采用直驅型結構。而內轉子的電機相對細長，一般發揮它的轉速優勢，采用減速器減速后，再驅動輪轂。前者走的是高轉矩密度的路線，后者走的是高功率密度的路線。前者結構簡單，但經濟性不如后者。

直驅和非直驅是完全兩條不同的技術路線，直驅的電機轉矩很大，轉速很低，一般乘用車最高轉速不超過2000rpm，商用車不超過1000rpm。而非直驅的電機，為了發揮功率密度優勢，降低電機成本，補償減速器成本，一般會把轉速做得很高，比如NTN公司把電機轉速提到了15000rpm。

另一方面，從產品形態來看，有些輪轂電機是帶剎車系統的，而有的電機是無剎車的。帶剎車代表了由單電機往驅動系統的路線上發展的趨勢，對集成度和完善度的提高，說明了產品應用的越發成熟。

集成度的提高，還體現在驅動器和電機的集成上。早期的產品驅動器是外置的，而現在的驅動器內置于電機內部的產品越來越多。

上圖是Protean公司提供的80kw外轉子輪轂電機，整個電機由8個子電機構成，每個子電機內置驅動模塊。這樣和外界電氣接口大幅度簡化。不但如此，這種電機是高冗余度電機，一兩個子電機損壞不影響車輛安全運行。

為什么要選輪轂電機

每種輪轂電機都有各自的優缺點，電機的種類形式變多，是一種技術在蓬勃發展的印證，從這背后的必有一種驅動力。為什么這么多人會談論輪轂電機呢？這和輪轂電機的優點密切相關。它的主要優點可以歸納為如下三點：

輪轂電機運行效率的提高，是因為省卻了減速器、變速器、叉速器等機械傳遞結構，底盤的重量大幅度降低。同時避免了傳動損失，系統效率提高。這樣一正一負，使得續航里程能提高10%。

底盤的大幅度簡化，輪轂電機使得四輪獨立驅動成為可能，不必再設置：車橋、傳動軸等機械部件，四輪在機械上完全解耦。這樣使得NVH、動力學等困擾底盤的頭疼問題大幅度簡化。系統復雜度降低使得底盤的開發周期也會相應減少，從3年減少到1年，甚至更短。

汽車操縱將更加靈活，四輪獨立驅動絕對是賽車發燒友的福音，各種高難度動作成為可能，四給輪子動力分配可以動態調整，可以大幅度提高不同路面下車輛穩定性和動力性。另一方面，四輪驅動可以實現原地轉向，橫向平移，對新手來說不用再擔心停車問題了。

關鍵的瓶頸

盡管輪轂驅動的優點非常明顯，但業內呈觀望態度的仍然較多，這是因為輪轂電機存在一系列技術瓶頸。總的來說最核心的問題是四個：

其中整車廠最關注的簧下質量問題。所謂簧下質量，就是在減震彈簧下的質量。

簧下質量加大使輪胎的動載和車身的振動加速度均方根值都明顯增加。這會引起電動汽車垂向振動幅度加大，影響輪胎接地特性，不利于車輛的動力學控制與行駛平順性。（想象一下如果左側一個輪胎抓地力突然減小，恰好右側的輪胎抓地力又增大，車子會是怎么樣的危險。）

在汽車界行駛平順性常用簧載質量與非簧載質量的比值來評價，即m2／m1的值越大，其行駛平順性往往越好。顯然集中電機的簧下質量遠小于輪轂電機。

除此之外，整車廠還關注輪轂電機的采購成本。相比集中驅動的電機，將一個電機分散成兩個或者四個，無論如何成本都會提高。盡管由于運行效率的提高，全壽命運行成本會下降，但一次裝備成本的大幅度提高始終是個門檻。

相比之下，由于結構緊湊引起的散熱困難問題，由于過熱和振動引起的磁鋼退磁問題，電機廠商可以通過提高設計水平內部消化，問題相對簡單。

目前的解決方案

只要有需求，問題就不是問題，肯定會逐步解決。對這四類問題，業內已經發展出了各種各樣的解決方案，下面介紹幾種。

簧下質量的解決方案

從電機角度簧下質量問題有兩條解決路線。邏輯很簡單，一條就是減小電機的重量，采用的利用輕量化材料和高功率密度技術。另外一條路線是將簧下質量轉移到簧上。我重點關注后一條技術路線。

要實現簧下到簧上的重量轉移，最直接的辦法就是另外設置一個彈性支撐，將定子和轉子的重量由彈性來支撐。已經出現橡膠襯套、彈簧阻尼、萬向節結構三種方案。其工作的機理都一樣，如下圖所示，在原有的（k2c2）彈性阻尼系統之外另設了一路（k3、c3）彈性阻尼系統，形成了一個傳遞旁路。

橡膠墊支撐方案

彈簧阻尼支撐方案

萬向節支撐方案

質量轉移帶來的效果是非常明顯的，通過優化設計，可以降低接地力的波動，和車體的垂直加速度。部分頻段性能甚至優于集中驅動的汽車，如下圖所示：

電機散熱的解決方案

如何更高效率的散熱一直是電機設計的關鍵問題。對于輪轂電機則更加突出。一般為了降低成本，輪轂電機采用風冷較多。因此問題就細化為，如何提高風冷的散熱能力。一般可分為優化現有冷卻結構，和采用新型散熱系統兩種路線。

優化現有結構，一種方法就加大散熱筋的面積，提高散熱功率。

另外一種方法是優化散熱筋的布置方向，將其方向調整到和風速同向，也能略微改善散熱效果。

局部優化帶來的效果有限，如果要在冷卻功率上有質的改善，需要采用新型冷卻系統。下面介紹一種熱管冷卻技術。

UQM的電機采用了一種熱管冷卻技術銅質熱管軸向深入電機機殼，快速的把熱量從定子導出到特殊設計的散熱筋，此處通風情況良好。對于一款13.7kw的電機，在無強迫冷源的技術下，峰值散熱功率為1.3kW。如果施加強迫冷源（風冷）峰值散熱功率可以達3.7kw。

實踐下來這種熱管冷卻技術，確實可以大幅度降低電機溫度。在自然冷卻的情況下，定子的溫度降低到65℃，轉子的溫度降低到52℃。如果采用強迫風冷，溫度還能進一步降低。

磁鋼退磁的解決方案

輪轂電機一般是表貼式轉子結構，磁鋼直接面對氣隙磁場，容易退磁。要改善這個問題，需要借鑒集中式電機的發展道路。就是由表貼式過渡為內插式轉子結構，由單層結構，過渡為雙層結構。磁鋼埋入鐵芯后，鐵芯能起到對退磁磁場旁路的作用，不讓永磁體直接面對退磁磁場。

下面是一臺80kw的外轉子輪轂電機，其磁極結構采用的是SPOKE結構，磁鋼切向布置，抗退磁能力高于表貼式結構。

對于內轉子結構，更容易實現內插式結構，下圖是漢陽大學開發的35kw輪轂電機，采用U型磁極結構，抗退磁能力也較高。

電機成本的解決方案

輪轂電機的成本解決方案和集中式驅動電機方法類似。少稀土、無稀土、高速化都是可行的方向。有人已經在開發鐵氧體盤式輪轂電機，能大幅度降低電機成本。（限于篇幅，不展開了。）

總結

輪轂電機是時下EV驅動技術的一個熱點。我們能夠明顯感受到該技術的強烈需求空間，但也存在各類技術瓶頸，尚待突破。挑戰和機遇并存，在這種復雜而糾結的態勢下，有人在摩拳擦掌，有人在錦衣夜行，更多的人在觀望。青山遮不住，畢竟東流去，任何一種技術都有其發展過程。在這過程中，我工作的意義是讓更多的人看得更清楚，看得更明白。