前文《一文讀懂國(guó)內(nèi)外輪轂電機(jī)研究結(jié)果》中總結(jié)了這些年出現(xiàn)過(guò)的輪轂電機(jī)，但是大多是概念居多，真正商業(yè)化使用的比較少，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的難點(diǎn)究竟在什么地方呢？又會(huì)從哪個(gè)領(lǐng)域最先突破呢？本文將結(jié)合上文提到的廣汽傳祺的輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)做一個(gè)分析，錯(cuò)漏之處請(qǐng)大牛指正。

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以靈活地布置于各類電動(dòng)車輛的車輪中，直接驅(qū)動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)。與內(nèi)燃機(jī)、單電機(jī)等傳統(tǒng)集中驅(qū)動(dòng)方式相比,其在動(dòng)力配置、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、操控性能、能源利用等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)極為明顯，主要表現(xiàn)為：

動(dòng)力控制由硬連接改為軟連接，能通過(guò)電子控制器，實(shí)現(xiàn)各輪轂從零到最大速度之間的無(wú)級(jí)變速和輪轂間的差速要求。省卻了傳統(tǒng)的機(jī)械換檔、離合器、變速器、傳動(dòng)軸和機(jī)械差速器等裝置，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約歸一，可利用空間增大，傳動(dòng)效率提高(理論值為10%)。

整車布局和車身造型設(shè)計(jì)的自由度大大增加。以汽車為例，將底架的承載功能與傳動(dòng)功能分離后，橋架結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，更容易實(shí)現(xiàn)相同底盤不同車身造型的產(chǎn)品多樣化和系列化，縮短新車開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

各輪轂扭矩獨(dú)立可控，響應(yīng)快捷，正反轉(zhuǎn)靈活，瞬時(shí)動(dòng)力性能更為優(yōu)越，顯著提高了適應(yīng)惡劣路面條件的行駛能力。

容易實(shí)現(xiàn)輪轂的電氣制動(dòng)、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的能量回饋，還能對(duì)整車能源的高效利用實(shí)施最優(yōu)化控制與管理，有效節(jié)約能源。

對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，若進(jìn)一步導(dǎo)入四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(4WS)，減小轉(zhuǎn)向半徑，還可能實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。

輪轂電機(jī)外形基本一致,大都為扁平型，但電機(jī)類型、結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)方式差別較大，分類如下。

按電機(jī)類型分類：目前應(yīng)用于電動(dòng)輪轂的電機(jī)主要有四大類，即永磁電機(jī)(PM)、異步電機(jī)(IM)、開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)和橫向磁通電機(jī)(TFM)。這其中，永磁電機(jī)的應(yīng)用最為普遍，而橫向磁通電機(jī)則是一類極具競(jìng)爭(zhēng)力的低速大扭矩新型電機(jī)。

按結(jié)構(gòu)形式分類：從主磁通行經(jīng)路徑看，它囊括了徑向磁場(chǎng)(radial)、軸向磁場(chǎng)(axial)、橫向磁通(transverse)全部三種基本形式。從運(yùn)動(dòng)方式看，亦有內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子之分。其中，雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最有新意。內(nèi)轉(zhuǎn)子主動(dòng)，外轉(zhuǎn)子從動(dòng)，二者通過(guò)一組行星齒輪傳遞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，使磁場(chǎng)切割導(dǎo)體的速度為內(nèi)、外轉(zhuǎn)子速度之和。顯然，這種速度迭加以及機(jī)械聯(lián)動(dòng)的巧妙組合，既給電機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了張馳空間，又起到了緩釋負(fù)載擾動(dòng)、平抑沖擊負(fù)荷、有效保護(hù)電池的作用。

按驅(qū)動(dòng)方式分類：直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)多采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)，因而轉(zhuǎn)速較低。與此相對(duì)應(yīng)，間接驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)則多為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速較高，通過(guò)行星輪加齒環(huán)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減速，帶動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn),因而也稱之為減速驅(qū)動(dòng)。

按旋轉(zhuǎn)速度分類：輪轂電機(jī)還有高速和低速之分，但對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍并沒(méi)有明確的界定，視應(yīng)用對(duì)象不同而不同。通常，僅當(dāng)驅(qū)動(dòng)方式確定之后，高、低速范圍的界定才具有相對(duì)準(zhǔn)確的含義，即直接驅(qū)動(dòng)一般對(duì)應(yīng)于低速電機(jī)(體積大，耗材多，功率密度小，噪聲低)，而間接驅(qū)動(dòng)則多對(duì)應(yīng)于高速電機(jī)(體積小,耗材少，功率密度大，噪聲高)。

純電傳祺轎車所采用的輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式為外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子以及逆變器集成為一體，由8個(gè)邏輯上的子電機(jī)組成，使用共同的轉(zhuǎn)子，并通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)各子電機(jī)的獨(dú)立、協(xié)同控制。這種“分布式”的結(jié)構(gòu)可降低對(duì)每個(gè)子電機(jī)的功率要求，因此可以采用小體積、低成本的功率電子器件，使得整個(gè)電機(jī)可以集成得非常緊湊；而通過(guò)對(duì)8個(gè)子電機(jī)進(jìn)行合理的協(xié)同控制，可將各子電機(jī)輸出的功率、扭矩進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電機(jī)強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力；同時(shí)，若其中1個(gè)子電機(jī)發(fā)生故障，其他的電機(jī)仍可以繼續(xù)正常丁作，而不會(huì)導(dǎo)致汽車直接拋錨。

該輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示，由轉(zhuǎn)子、軸承、定子、功率與控制電子模塊以及密封背板等部分組成。

那么影響輪轂電機(jī)商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)究竟有那些呢？主要有以下幾點(diǎn)：

電子差速控制技術(shù)

由于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車取消了傳統(tǒng)汽車的機(jī)械傳動(dòng)部分,所以無(wú)法采用機(jī)械差速器對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車進(jìn)行差速控制，雖然現(xiàn)在出現(xiàn)了電子差速器，但是當(dāng)車速超過(guò)一定值時(shí)，車輛就會(huì)出現(xiàn)明顯的方向失穩(wěn)現(xiàn)象。目前,國(guó)內(nèi)外己初步積累了這方面的專有技術(shù)。

智能化能量管理系統(tǒng)

通俗地講，這就是一個(gè)1+1等不等于2的問(wèn)題。人們的期望值無(wú)疑是2(代數(shù)和),但實(shí)際效果只能是小于、充其量接近于2(矢量和)。綜合考慮車輛方方面面的動(dòng)力和能源需求，這就構(gòu)成了有限車載能源和動(dòng)力的最優(yōu)化調(diào)度與管理問(wèn)題/或稱之為智能化能量管理系統(tǒng)。它既是一個(gè)系統(tǒng)工程的最優(yōu)化技術(shù)解決方案，難度非常大，可以從各輪轂電機(jī)能量的合理分配與管理做起，并可以包括能量回饋方面的考慮。

輪轂電機(jī)非簧載質(zhì)量的減少

由于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車需要把驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)器都集中在車輪內(nèi)，故如果不采取有效措施，必然會(huì)引起汽車非簧載質(zhì)量的增加，增大輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車垂直方向的振動(dòng)幅度，影響輪胎的附著性能，不利于汽車的控制，同時(shí)也會(huì)降低汽車的平順性和舒適性。同時(shí)，電機(jī)放置在車輪內(nèi)，電機(jī)將會(huì)承受來(lái)自路面的很大的沖擊載荷。因此，研究輪轂電機(jī)非簧載質(zhì)量的減少方法能夠指導(dǎo)電動(dòng)輪設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及理論分析，具有重要的意義。

減少非簧載質(zhì)量的方案通常包括:

①通過(guò)特殊形式的電機(jī)將非簧載質(zhì)量轉(zhuǎn)化為簧載質(zhì)量。比如Johansen，Yang等提出了通過(guò)特殊平面電機(jī)設(shè)計(jì)將電機(jī)的定子質(zhì)量轉(zhuǎn)化到簧載質(zhì)量中的方法。

②利用電機(jī)質(zhì)量構(gòu)造吸振器對(duì)非簧載質(zhì)量引發(fā)的垂向振動(dòng)負(fù)效應(yīng)進(jìn)行控制。比如Nagaya等利用電機(jī)質(zhì)量構(gòu)造吸振器對(duì)非簧載質(zhì)量引發(fā)的垂向振動(dòng)負(fù)效應(yīng)進(jìn)行控制。

③改變簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的比值。比如B.Hredzak等設(shè)計(jì)了一款采用盤式電動(dòng)機(jī)的輪轂電機(jī)。如圖所示，該盤式電動(dòng)機(jī)由雙定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子組成，將兩個(gè)定子固定在底盤上，使其成為簧載質(zhì)量，而轉(zhuǎn)子和車輪相連以帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣只有電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部分在車輪上。這種電機(jī)的布置方式使得非簧載質(zhì)量相比整個(gè)電機(jī)布置在輪內(nèi)的方式減輕了不少。但是這種驅(qū)動(dòng)形式又帶來(lái)新問(wèn)題:車輪受到的地面沖擊會(huì)直接傳遞到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上，進(jìn)而使電動(dòng)機(jī)的氣隙寬度不斷變化，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的輸出。

雙定子軸向磁通輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式

制動(dòng)集成技術(shù)

輪轂電機(jī)安裝在驅(qū)動(dòng)輪的輪轂內(nèi)，占據(jù)了原來(lái)布置機(jī)械制動(dòng)卡鉗與制動(dòng)盤的空間，導(dǎo)致無(wú)法沿用原有的機(jī)械制動(dòng)器。若僅靠輪轂電機(jī)的電回饋制動(dòng)，存在制動(dòng)力不足、電池剩余電量不足時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)電回饋制動(dòng)、制動(dòng)可靠性較低等問(wèn)題。目前輪轂電機(jī)已有了機(jī)械制動(dòng)的集成方案，但該方案并不成熟，所采用的環(huán)形制動(dòng)盤制制動(dòng)力臂大，摩擦片制動(dòng)面積小，存在易變形、抖動(dòng)大、發(fā)熱量大等問(wèn)題，其制動(dòng)能力及可靠性仍有待驗(yàn)證。

機(jī)械制動(dòng)的集成方案

輪轂電機(jī)的冷卻技術(shù)

車輪由于經(jīng)常需要處在大負(fù)荷低速爬長(zhǎng)坡工況下，而電機(jī)又放置在狹小的車輪內(nèi)，因而容易出現(xiàn)冷卻不足導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱燒毀的問(wèn)題。但是，輪轂電機(jī)直接受到地面的振動(dòng)沖擊，以及路面的泥水砂石的飛減，丁作環(huán)境十分惡劣，從輪轂電機(jī)的防護(hù)和保養(yǎng)來(lái)看，電機(jī)的密封性越強(qiáng)越好,這使得輪轂電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更難以散向電機(jī)外，給電機(jī)的冷卻帶來(lái)了難度。因此，電機(jī)的散熱和強(qiáng)制冷卻問(wèn)題亟需解決。

輪轂電機(jī)冷卻的解決方案主要有兩種:

①在電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮采用氣體(風(fēng))來(lái)冷卻電機(jī)，應(yīng)用有利于氣體循環(huán)流動(dòng)的電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)來(lái)冷卻輪轂電機(jī)。比如RyunosukeKawashima等設(shè)計(jì)了一種專門冷卻制動(dòng)盤和輪轂電機(jī)的冷卻風(fēng)扇。該方案在輪轂內(nèi)安裝一個(gè)葉片形狀輻條，利用葉片狀的輻條的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生氣流來(lái)對(duì)制動(dòng)盤和輪轂電機(jī)進(jìn)行冷卻散熱。把設(shè)計(jì)的冷卻風(fēng)扇裝在實(shí)車上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明:裝有冷卻風(fēng)扇的汽車需要多消耗2%~4%的能源，但是能夠增強(qiáng)空氣的流動(dòng)，在車輪人口處增大了氣體的回旋流，使電機(jī)達(dá)到較好的散熱效果。

②在電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮采用液體(水)來(lái)冷卻電機(jī)，通過(guò)設(shè)置專門的冷卻液(水)道，通過(guò)與液體的熱交換來(lái)冷卻輪轂電機(jī)。比如RoyjiMimtani等于2010年申請(qǐng)了名為“高效冷卻的輪轂電機(jī)”的美國(guó)發(fā)明專利。該發(fā)明專利中在輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)軸的末端設(shè)置了一個(gè)油泵，通過(guò)油泵的作用使得油箱內(nèi)的油進(jìn)人專門設(shè)置的冷卻通道直至到達(dá)電機(jī)定子，通過(guò)油與定子的熱交換冷卻定子。

綜上所述，輪轂電機(jī)尚存在高速下失穩(wěn)、非簧質(zhì)量大、高密封環(huán)境下的散熱難、制動(dòng)集成問(wèn)題、能量管理待優(yōu)化等諸多問(wèn)題，但是很多技術(shù)問(wèn)題，如果缺乏規(guī)模化得商業(yè)應(yīng)用，突破速度會(huì)很慢。本文認(rèn)為，小型化的低速電動(dòng)車對(duì)以上問(wèn)題敏感度較低，批量化的應(yīng)用突破口，應(yīng)該是從這個(gè)領(lǐng)域開始，同時(shí)也能為輪轂電機(jī)在高速車的應(yīng)用積累技術(shù)和使用資源。