近兩年來輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)在EV領(lǐng)域開始發(fā)酵，有的企業(yè)已經(jīng)動手干起來了（亞太、泰德)，更多的企業(yè)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(guān)注的熱點(diǎn)。在同樣的興趣驅(qū)動下，我在電機(jī)層面作了調(diào)研。將一些概念作了系統(tǒng)性的架構(gòu)，這樣能夠避免大家認(rèn)知的碎片化和片面性，為以后深入打一個基礎(chǔ)。

在知識爆炸時代，信息多，時間少，知識質(zhì)量也良莠不齊。莊子說：“吾生也有涯，而知也無涯”。如何提高學(xué)習(xí)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(gòu)成知識晶體，小晶體又構(gòu)建大晶體。但知易行難，每篇文章都是由知到行的實(shí)踐，與所有學(xué)習(xí)愛好者共勉。

什么是輪轂電機(jī)

一般而言安裝在輪輞中的電機(jī)叫輪轂電機(jī)，英文叫In-WheelMotor。但輪轂電機(jī)最近出現(xiàn)衍生出很多形式。很難明確界定哪一種電機(jī)是標(biāo)準(zhǔn)的輪轂電機(jī)了。

從電機(jī)的種類分，輪轂電機(jī)有軸向磁場型（盤式電機(jī)）和徑向磁場電機(jī)（普通電機(jī)）。前者的轉(zhuǎn)矩密度較高，結(jié)構(gòu)更緊湊，但成本也較高，制造難度大。

在普通電機(jī)中，早期的輪轂電機(jī)基本以外轉(zhuǎn)子為主，現(xiàn)在內(nèi)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)也越來越多。

外轉(zhuǎn)子的電機(jī)結(jié)構(gòu)氣隙體積大，轉(zhuǎn)矩密度大，適合做成扁平狀，一般用在采用直驅(qū)型結(jié)構(gòu)。而內(nèi)轉(zhuǎn)子的電機(jī)相對細(xì)長，一般發(fā)揮它的轉(zhuǎn)速優(yōu)勢，采用減速器減速后，再驅(qū)動輪轂。前者走的是高轉(zhuǎn)矩密度的路線，后者走的是高功率密度的路線。前者結(jié)構(gòu)簡單，但經(jīng)濟(jì)性不如后者。

直驅(qū)和非直驅(qū)是完全兩條不同的技術(shù)路線，直驅(qū)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩很大，轉(zhuǎn)速很低，一般乘用車最高轉(zhuǎn)速不超過2000rpm，商用車不超過1000rpm。而非直驅(qū)的電機(jī)，為了發(fā)揮功率密度優(yōu)勢，降低電機(jī)成本，補(bǔ)償減速器成本，一般會把轉(zhuǎn)速做得很高，比如NTN公司把電機(jī)轉(zhuǎn)速提到了15000rpm。

另一方面，從產(chǎn)品形態(tài)來看，有些輪轂電機(jī)是帶剎車系統(tǒng)的，而有的電機(jī)是無剎車的。帶剎車代表了由單電機(jī)往驅(qū)動系統(tǒng)的路線上發(fā)展的趨勢，對集成度和完善度的提高，說明了產(chǎn)品應(yīng)用的越發(fā)成熟。

集成度的提高，還體現(xiàn)在驅(qū)動器和電機(jī)的集成上。早期的產(chǎn)品驅(qū)動器是外置的，而現(xiàn)在的驅(qū)動器內(nèi)置于電機(jī)內(nèi)部的產(chǎn)品越來越多。

上圖是Protean公司提供的80kw外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)，整個電機(jī)由8個子電機(jī)構(gòu)成，每個子電機(jī)內(nèi)置驅(qū)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(jī)是高冗余度電機(jī)，一兩個子電機(jī)損壞不影響車輛安全運(yùn)行。

為什么要選輪轂電機(jī)

每種輪轂電機(jī)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，電機(jī)的種類形式變多，是一種技術(shù)在蓬勃發(fā)展的印證，從這背后的必有一種驅(qū)動力。為什么這么多人會談?wù)撦嗇炿姍C(jī)呢？這和輪轂電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)密切相關(guān)。它的主要優(yōu)點(diǎn)可以歸納為如下三點(diǎn)：

輪轂電機(jī)運(yùn)行效率的提高，是因?yàn)槭s了減速器、變速器、叉速器等機(jī)械傳遞結(jié)構(gòu)，底盤的重量大幅度降低。同時避免了傳動損失，系統(tǒng)效率提高。這樣一正一負(fù)，使得續(xù)航里程能提高10%。

底盤的大幅度簡化，輪轂電機(jī)使得四輪獨(dú)立驅(qū)動成為可能，不必再設(shè)置：車橋、傳動軸等機(jī)械部件，四輪在機(jī)械上完全解耦。這樣使得NVH、動力學(xué)等困擾底盤的頭疼問題大幅度簡化。系統(tǒng)復(fù)雜度降低使得底盤的開發(fā)周期也會相應(yīng)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(dú)立驅(qū)動絕對是賽車發(fā)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(tài)調(diào)整，可以大幅度提高不同路面下車輛穩(wěn)定性和動力性。另一方面，四輪驅(qū)動可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，橫向平移，對新手來說不用再擔(dān)心停車問題了。

關(guān)鍵的瓶頸

盡管輪轂驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，但業(yè)內(nèi)呈觀望態(tài)度的仍然較多，這是因?yàn)檩嗇炿姍C(jī)存在一系列技術(shù)瓶頸。總的來說最核心的問題是四個：

其中整車廠最關(guān)注的簧下質(zhì)量問題。所謂簧下質(zhì)量，就是在減震彈簧下的質(zhì)量。

簧下質(zhì)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(xué)控制與行駛平順性。（想象一下如果左側(cè)一個輪胎抓地力突然減小，恰好右側(cè)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(zhì)量與非簧載質(zhì)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(jī)的簧下質(zhì)量遠(yuǎn)小于輪轂電機(jī)。

除此之外，整車廠還關(guān)注輪轂電機(jī)的采購成本。相比集中驅(qū)動的電機(jī)，將一個電機(jī)分散成兩個或者四個，無論如何成本都會提高。盡管由于運(yùn)行效率的提高，全壽命運(yùn)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(jié)構(gòu)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(jī)廠商可以通過提高設(shè)計(jì)水平內(nèi)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(yè)內(nèi)已經(jīng)發(fā)展出了各種各樣的解決方案，下面介紹幾種。

簧下質(zhì)量的解決方案

從電機(jī)角度簧下質(zhì)量問題有兩條解決路線。邏輯很簡單，一條就是減小電機(jī)的重量，采用的利用輕量化材料和高功率密度技術(shù)。另外一條路線是將簧下質(zhì)量轉(zhuǎn)移到簧上。我重點(diǎn)關(guān)注后一條技術(shù)路線。

要實(shí)現(xiàn)簧下到簧上的重量轉(zhuǎn)移，最直接的辦法就是另外設(shè)置一個彈性支撐，將定子和轉(zhuǎn)子的重量由彈性來支撐。已經(jīng)出現(xiàn)橡膠襯套、彈簧阻尼、萬向節(jié)結(jié)構(gòu)三種方案。其工作的機(jī)理都一樣，如下圖所示，在原有的（k2c2）彈性阻尼系統(tǒng)之外另設(shè)了一路（k3、c3）彈性阻尼系統(tǒng)，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(jié)支撐方案

質(zhì)量轉(zhuǎn)移帶來的效果是非常明顯的，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(yōu)于集中驅(qū)動的汽車，如下圖所示：

電機(jī)散熱的解決方案

如何更高效率的散熱一直是電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。對于輪轂電機(jī)則更加突出。一般為了降低成本，輪轂電機(jī)采用風(fēng)冷較多。因此問題就細(xì)化為，如何提高風(fēng)冷的散熱能力。一般可分為優(yōu)化現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)，和采用新型散熱系統(tǒng)兩種路線。

優(yōu)化現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，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(yōu)化散熱筋的布置方向，將其方向調(diào)整到和風(fēng)速同向，也能略微改善散熱效果。

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

UQM的電機(jī)采用了一種熱管冷卻技術(shù)銅質(zhì)熱管軸向深入電機(jī)機(jī)殼，快速的把熱量從定子導(dǎo)出到特殊設(shè)計(jì)的散熱筋，此處通風(fēng)情況良好。對于一款13.7kw的電機(jī)，在無強(qiáng)迫冷源的技術(shù)下，峰值散熱功率為1.3kW。如果施加強(qiáng)迫冷源（風(fēng)冷）峰值散熱功率可以達(dá)3.7kw。

實(shí)踐下來這種熱管冷卻技術(shù)，確實(shí)可以大幅度降低電機(jī)溫度。在自然冷卻的情況下，定子的溫度降低到65℃，轉(zhuǎn)子的溫度降低到52℃。如果采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，溫度還能進(jìn)一步降低。

磁鋼退磁的解決方案

輪轂電機(jī)一般是表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，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(jī)的發(fā)展道路。就是由表貼式過渡為內(nèi)插式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由單層結(jié)構(gòu)，過渡為雙層結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)子輪轂電機(jī)，其磁極結(jié)構(gòu)采用的是SPOKE結(jié)構(gòu)，磁鋼切向布置，抗退磁能力高于表貼式結(jié)構(gòu)。

對于內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，更容易實(shí)現(xiàn)內(nèi)插式結(jié)構(gòu)，下圖是漢陽大學(xué)開發(fā)的35kw輪轂電機(jī)，采用U型磁極結(jié)構(gòu)，抗退磁能力也較高。

電機(jī)成本的解決方案

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

總結(jié)

輪轂電機(jī)是時下EV驅(qū)動技術(shù)的一個熱點(diǎn)。我們能夠明顯感受到該技術(shù)的強(qiáng)烈需求空間，但也存在各類技術(shù)瓶頸，尚待突破。挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存，在這種復(fù)雜而糾結(jié)的態(tài)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(shù)都有其發(fā)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。