智能驱动 | 欧阳明高院士团队：轮毂电机技术进展与未来展望

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DOI：https://doi.org/10.1016/j.etran.2024.100353

引言

轮毂电机取消了传动轴、半轴、转向节等机械连接，简化了传动系统，显著提升了传动效率，节约了底盘空间。图1展示了轮毂电机的发展历程，主要经历了起源、突破、应用三个阶段。轮毂电机概念最早可追溯到1890年前后，当时出现了第一批直驱和减速构型的轮毂电机专利。1900年费迪南德·保时捷博士成功制造了第一台轮毂电机驱动汽车，虽然他先后制造了两驱、四驱与混合动力构型，但是由于三电技术不成熟，轮毂电机驱动技术没有得到推广。1940年轮毂电机被应用于矿卡等大型特种车辆。近20年，轮毂电机在皮卡、轿车上得到了初步应用，验证了轮毂电机在分布式控制与效率方面具备巨大的潜力，其主要应用障碍在于在保证轮毂电机转矩输出能力与能量转化效率前提下减低重量与体积，即提升转矩密度。

图1 轮毂电机发展阶段

轮毂电机关键技术

1. 总体构型

各类车型需求差异巨大，对轮毂电机转矩、空间、质量提出了不一样的要求，从而引发了轮毂电机总体构型方案的发展。是否使用减速器以提高输出转矩是影响轮毂电机设计的重要因素。根据总体构型是否使用减速器将轮毂电机分为直接驱动与减速后驱动两种。如图2所示，直驱构型将轮毂电机转子与轮毂轴承或者轮辋进行刚性连结，具有结构简单、体积小、质量轻的特点。减速后驱动包括多级减速、一级减速、含变速机构三类构型。这类构型通过平行轴减速器、行星轮减速器将轮毂电机产生的转矩放大后再传输至轮毂。轮毂电机总体构型是决定轮毂电机转矩密度的关键因素，总体构型差异使得轮毂电机的应用场景发生了转移。与主流集中式驱动（高转速电机加减速器）相比，轮毂电机驱动方式更加多样，但轮毂电机总体构型与应用场景之间的关系尚未完全阐明。

图2 轮毂电机总体构型

2.电磁拓扑

电磁拓扑是影响轮毂电机转矩输出能力、能量转换效率、电磁有效质量的关键因素。轮毂电机总体构型多样导致其电磁结构拓扑设计灵活。如图3所示，轮毂电机按定子、转子布置拓扑关系分为外转子-内定子拓扑结构、内转子-外定子拓扑结构，多转子或多定子拓扑结构。内转子外定子电机已被应用于直接驱动和减速驱动的轮毂电机中。表贴式和内置式是内转子轮毂电机的典型拓扑结构。表贴式在低速区域性能优异，而内置式在高速区域具有出色的过载能力和低损耗的特点。因此内置式永磁同步电机更适合减速驱动轮毂电机构型。外转子内定子电机提供了更大的永磁体布置空间和更高的转矩输出能力，其中，相比内置式，表贴式轮毂电机具有更高的输出转矩，但其直轴和交轴电感相近，并不能充分利用磁阻转矩。多转子或多定子轮毂电机主要包括磁场调制电机和复合磁场电机。在磁场调制电动机中，通过在定子和转子之间附加调制环来放大输出转矩。复合磁场电机增加了电机内部气隙数量，可以输出更大的转矩与功率。轮毂电机的工作原理与集中驱动电机相似，但提高轮毂电机输出功率并不依赖于提高转速，而是通过优化电磁拓扑直接提高密度。

图3 轮毂电机电磁拓扑

3. 散热方式

散热方案决定了电机转矩的持续时间，并间接影响了轮毂电机的转矩密度，表现出多物理场耦合特性。如图4所示，轮毂电机具体的散热形式主要包括空冷、水冷和油冷三种。确定轮毂电机总体构型与电磁拓扑是散热设计的前提。空冷散热方式通过设计合理的散热片形状，利用轮毂处来风直接将电机内部热量传递给环境，具有可靠性高、结构简单的特点。但是空冷散热能力有限，通常用于功率小于20kW的轮毂电机。在散热方案中，水冷却散热功率较大。其散热效果取决于水套形状与布置方式。水套可以是U形或螺旋形。经过优化的水冷散热系统可以用于冷却100kW的轮毂电机。使用润滑油作为冷却剂，可以同步润滑和冷却轮毂电机和减速器。多种冷却方法可结合使用，以提高轮毂电机散热系统的冷却能力。

图4 轮毂电机散热方式

4. 轮毂结构

轮毂结构部件通常用于传递路面与电机载荷。这些部件主要影响轮毂电机的刚度和可靠性。在直接驱动轮毂电机中，轮内结构件的质量占总重量的60%以上。因此，优化载荷传递路径以减少结构件数量是提高转矩密度的另一途径。图5为轮毂电机与集中驱动电机的结构对比图。在集中驱动电机中，电机和车轮是完全解耦的，车轮的弯矩对电机的影响很小。然而，轮毂电机与轮辋和悬架之间存在机械连接，受车轮胎影响显著。不同的轮毂电机安装方式形成了不同的载荷传递路径。如果弯矩从轮胎传递到悬架而不经过轮毂电机，则称为弯扭解耦；否则称为弯扭不解耦。在“弯扭解耦”构型下，电机和轮毂的结构部件可以独立设计。在“弯扭不解耦”构型中，轮毂电机和轮毂结构被合并，以减少总重量。轮毂结构是轮毂电机设计能力和轮毂附件设计能力的结合。

图5 轮辋内部载荷传递方式

轮毂电机技术进展

轮毂电机产品迭代推动了其技术进步。为确保轮毂电机产品的可靠性，Protean提出了子电机的高安全性设计理念。为了提高轮毂电机的转矩密度，Elaphe研究了高永磁体利用率方法。Schaeffler和NTN利用汽车零部件的技术优势，推出了内转子轮毂电机产品，扩大了轮毂电机应用范围。轮毂电机的转矩密度可分为质量转矩密度和体积转矩密度，后者是直驱轮毂电机比较的重要指标，而体积转矩密度未充分考虑轮内结构件和减速器的影响。因此，本综述强调质量转矩密度。目前，有限的转矩密度阻碍了轮毂电机的广泛应用。不同应用场景对轮毂电机性能需求的差异导致轮毂电机方案在不同车型上推广难度也不相同。为加快推进轮毂电机应用，首先，应增加特种车辆(机场车辆)和重型车辆(矿用卡车)中轮毂电机装车的比例，并将轮毂电机应该与轮毂结构进一步融合；其次，为自动驾驶汽车和其他低速车辆设计轻量级轮毂电机驱动方案；最后，由重型和轻型车辆两端应用场景逐步扩展到高端乘用车和皮卡。

轮毂电机发展展望

未来轮毂电机的发展趋势包括新材料应用、设计优化和结构集成。新型材料将拓展性能边界，智能优化方法将寻找最优设计，结构集成将实现轮毂和电机的功能创新。轮毂电机的主要材料是铜、永磁体、电工钢和铝，其中铜和永磁体对其性能影响较大。 在导体材料方面，碳基复合材料在实验室级别取得了良好进展，主要的应用难点在于在大尺度下如何保证材料整体电导率。在永磁体方面，由于轮毂电机要求永磁体同时具有高磁能积、耐退磁与易粘接的特性，材料改性难以同时满足上述需求。因此，分区域布置不同材料永磁体形成复合永磁体，有望提高永磁体的综合性能。

轮毂电机的智能优化设计是一个涉及代理模型构建、设计参数优化的复杂非线性问题。为了避免解析方法建模精度有限和有限元模型计算量大的问题，人工智能算法在轮毂电机设计参数进行优化中被广泛采用。但实际上参数优化的性能边界受几何模板制约，进一步对轮毂电机拓扑进行优化，可以扩展参数优化边界，实现材料高效利用，如图6所示

图6 轮毂电机智能优化

图7 轮毂电机结构创新

论文总结

高转矩密度轮毂电机设计不仅包括了根据汽车转矩需求设计轻量化小尺寸电机，还包括了轮毂电机与轮毂结构件的融合设计。目前轮毂电机的设计还处于设计电机与设计轮毂结构件相分离的阶段，这使得轮毂电机结构多样，但是对每一种构型的应用场合与优化方向尚不清晰。本文梳理了轮毂电机四项关键技术及其发展过程，并针对不同的应用场景明晰了关键技术发展方向。当轮毂电机及其结构部件的转矩重量密度进一步提高后，轮毂电机有望实现推广应用。