关于轮毂电机产品的技术说明
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(a) 传统分布式绕组永磁同步（BLAC）电机（66 槽/22 极）
(b) 传统集中式绕组无刷直流（BLDC）电机（33 槽/22 极）
(c) 新型集中式模块化绕组永磁同步（BLAC）电机（24 槽/22 极）（艾 德斯轮毂电机）
图 2 三种不同绕组结构的永磁无刷电机[2]-[4]
而以本项目针对的轮毂电机而言， 又可分为直驱低速方式和带减速齿轮的高速方式两种方 案。
主，电机相数多为三相，集中式绕组居多。单轮大功率轮毂电机（大于 12kW）一般为 水冷方式，硅钢片材料以 0.35mm 为主，直驱形式的电机最高转速一般小于 1200r/min。 学术研究和实际产品中最高转矩密度实测值与丰田普锐斯系列集中式驱动电机相似 （<45Nm/L） 。
鉴于本项目的研究对象为四轮独立驱动轮毂电机系统， 下面的分析以艾德斯A轮样 机为主要对比对象进行分析。图 23 为其结构图，具体的设计参数如表 6 所示。经研究 发现，该电机采用多单元方式提高系统可靠性与容错运行能力， 即沿着圆周一共布置有 8 个三相外转子表贴式永磁同步电机，每个电机为 9 槽 10 极，故整个圆周一共有 72 槽/80 极，采用集中式电枢 绕组以减小端部长度和提高功率密度。由表 6 可知，该电机 的转矩密度和比转矩都较大。然而经研究发现，由于轮毂电机多采用直驱工作方式，转 速较低，极对数较多，传统转子永磁型结构存在如下技术瓶颈：
而全球知名的汽车部件供应商德国舍弗勒集团（Schaeffer AG）也提出了基 于其创新 产品 E-Wheel Drive[36]，完成了驱动系统从汽车中心向轮内的转移。该公司主要采用转 子结构， E-Wheel 解决方案安装在 Ford Fiesta 的两个后轮之 其上，概念车的路面测试 具有非常好的行驶效果。
2714-2720.
[4] Wang J, Xia Z.P, Howe D. Three-phase modular permanent-magnet brushless machine for
torque boosting on a downsized ICE vehicle. IEEE Transactions on Vehicular Technology,
Brushless Machines with Concentrated, Distributed and Modular Windings. The 3rd IET
International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, Dublin, Ireland, 2006.
转矩密度 (Nm/L)
最高转速 (r/min)
1600
输出转矩@1600r/min (Nm) 328
功率密度 (kW/L) 比 转 矩 (Nm/kg) 比功率 (kW/kg)
值 380 125 13.93 34 40.80 3.38 19.11 1.59
因此，本项目将以四轮独立驱动电动汽车为应用对象，以提高驱动系统的转 矩密度、
图 23 艾德斯轮毂电机实物图[35]
参数名称
表 6 艾德斯轮毂电机设计参数[35]
值
参数名称
额定功率 (kW)
40
转子外径 (mm)
直流母线电压 (V)
400
轴长 (mm)
最大功率 (kW)
60
体积 (L)
额定转速 (r/min)
850
重量
额定输出转矩 (Nm)
550
(kg)
最大转矩 (Nm)
900
1、轮毂电机直接将动力传递给车轮，取消了离合器、变速器、传动轴、差速器及相互之 间的机械传动总成，此外悬架和制动系统也可集成于车轮的轮毂里，底盘结构大大简化，精简 了传动链，可提高系统效率和可靠性；
2、无齿轮摩擦、润滑问题，使用寿命延长； 3、使得车内空间布局更为灵活，为动力电池以及其它车内设备提供了更多空间，使底盘 布置形式扁平化，提高乘车舒适度与安全性； 4、轮毂式直接驱动使各车轮的驱动力独立可控，动力学控制更为灵活，可方便地实现驱 动轮数量及形式的转换，有利于提高恶劣路面条件下的行驶性能； 5、容易实现车轮的电气制动、机电复合制动，提高再生制动能量回收效率。 许多汽车厂商将轮毂电机驱动作为下一代电动汽车的发展方向之一， 纷纷加 大投入，不 断推出各类新型概念车。英国 Protean Electric 公司所提出的四轮独立驱动电动汽车底盘和 轮毂电机如图 1 所示[1]。
1.2.1. 学术界研究现状及发展动态 A. 转子永磁型无刷电机 (1) 传统转子永磁型无刷电机结构
直驱式轮毂电机通常以外转子永磁无刷电机为主，如图 2 所示主要包括：采用分布式绕
组的永磁同步电机（每极每相槽数为 1） （图 2a） 采用集中式绕组的 、无刷直流电机（每 极每相槽数为 0.5）（图 2b）采用新型集中式模块化绕组（分 、数槽）的永磁同步电机（定 子槽数与转子极数相差 2） （图 2c）[2]-[4]。研究表明： 采用分数槽集中式绕组电机可以缩短绕组端部长度，减小用铜量和铜耗，提高效率，同时减小 电机轴向长度，增加转矩（功率）密度。然而，该类型电机尽管可以获得较为正弦的空载感 应电势与较小的定位力矩（齿槽转矩） 但是其高次谐波的绕组因数会显著增加，增加高频损 耗，尤其当电机需要运行于较高转速时， 这个问题更加严重。
Magnet Synchronous in-Wheel Motor for Hybrid Electric Drive System, IEEE Transactions
on Magnetics, vol. 45, no. 1, pp. 278-281, Jan. 2009.
[8] Frandsen, Tommy V., Peter Omand Rasmussen, and Karsten K. Jensen. Improved Motor
图 1 Protean Electric 四轮独立电动汽车轮毂式驱动[1]
然而， 作为四轮独立驱动电动汽车的轮毂电机， 对其性能也提出了更高要求： （1）尺寸紧凑、重量轻、转动惯量小、功率密度高； （2）在启动和爬坡等低速工况时输出扭矩大，高速巡航时输出功率大； （3）输出等功率（恒功率运行范围内）的转速变化范围区间很大； （4）瞬时功率大，扭矩响应快； （5）宽转速变化范围内效率高（高效范围区广） ； （6）能量回馈制动效率高； （7）各种运行工况下可靠性和鲁棒性高，容错运行能力强； （8）价格合理。
（1）在采用集中式电枢绕组的条件下，产生正弦感应电势的设计要求较高； （2）电枢磁场与永磁磁场相互耦合大，退磁风险较高； （3）若永磁体采用表贴式，则需在转子轭部开槽固定，易产生极间漏磁， 影响电 机功率密度； （4）若永磁体采用径向内置式，则每极磁通可能较小，且增加永磁体厚度， 必然导 致转子轭部减小，增加轭部饱和； （5）若永磁体采用切向内置式，转子齿弧与永磁体充磁长度在空间上互相约束， 进而限制了最优结构参数下的永磁体利用率及转矩脉动比。
2005, 54(3): 809-816.
[5] A. J. Rix and M. J. Kamper, Radial-Flux Permanent-Magnet Hub Drives: A Comparison
Based on Stator and Rotor Topologies, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59,
[3] Wang J, Atallah K, Z.Q. Zhu, D. Howe. Modular three-phase permanent-magnet brushless
machines for in-wheel applications. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2008, 57(5):
图 21 Protean Electric 直驱轮毂方案[35]
图 22 Schaeffer AG 带减速齿轮轮毂方案[36]
1.3. 转子永磁型结构的优势与不足：
总结"1.2.国内外研究现状及发展动态分析" 可以得到如下结论： 无论是学术界还是工业界， 四轮独立驱动轮毂电机结构以转子永磁型表面贴装式为
no. 6, pp. 2475-2483, 2012.
[6] Shi-UK Chung, Seok-Hwan Moon, Dong-Jun Kim, and Jong-Moo Kim, Development of a
20-Pole-24-Slot SPMSM With Consequent Pole Rotor for In-Wheel Direct Drive, IEEE
动态响应能力、高效区范围、集成度、可靠性及容错运行能力为目标，
提出并研究一种多单元转子永磁磁通切换型轮毂电机驱动系统。
1.6. 参考文献
[1] [Online]. Available: http://www.proteanelectric.com/en/specifications/
[2] Wang J, Xia Z.P, Howe D, S.A. Long. Comparative Study of 3-Phase Permanent Magnet
关于轮ห้องสมุดไป่ตู้电机产品的技术说明
1．项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展 趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应 用前景。 附主要参 考文献目录）
1.1. 四轮独立驱动轮毂电机的研究意义：
时至今日，电动汽车已发生了巨大变化，类型也多种多样。电动汽车作为清洁新能源交 通工具正受到人们越来越多的关注和响应。 （拔高，国家重大需求） 作为电动汽车的关键核心 部件，根据电驱系统驱动车轮的方式和安装位置， 可以分为集中式驱动与轮毂式驱动两种。轮 毂电机安装在轮毂内，通过与轮轴相 连接的方式直接驱动汽车，或者通过机械减速装置间驱 动车辆行驶。相对于集中式驱动，利用轮毂电机进行四轮独立驱动的优点包括：
其中，英国 Protean Electric[35]开发了针对混合、插电混合动力和轻型纯电动车的外 转子轮毂电驱动系统。该公司的产品提供了高度集成化、直驱控制的解决 方案，并且能够移 植到不同尺寸的应用对象中。在 2013 年，该公司就已经能够 生产单个转矩输出 1000Nm （峰值）功率 75kW（峰值）峰值转矩输出能力比 上一代产品高出 25%，重量仅为 35kg， 再生制动利用率高达 85%。该系统能够 与传统车辆动力总成良好配合，改装成为混合动力 汽车，应用在 18-24 英寸的车轮上。该公司成功应用的车型包括：沃克斯豪尔箱式货运车、广 汽传祺、福特 F150 皮卡，以及 BRABUS 改装的梅赛德斯-奔驰 E 级混合动力车及纯电 动车。
Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 1, Jan. 2016. pp. 302-309, 2016.
[7] Chai Feng, Xia Jing, Guo Bin, Cheng Shukang, and Zhang Jiange, Double-Stator Permanent
采用轮毂电机系统， 能够通过不同车轮运动的独立控制实现更加智能化的车 辆驱动模式，是面向人车交互、无人驾驶的未来车辆重要发展方向。目前，国际上一些知名企业 已经掌握了高转矩密度的直驱式轮毂电机系统的设计与制造方 法，但仍存在着永磁体用量大、 制造成本高、工艺复杂、容错能力弱的缺点。
1.2. 国内外研究现状及发展动态分析：
此外，英国谢菲尔德大学的研究人员成立的 Magnomatics 公司[37]-[39]，提出了基 于磁齿轮的 Pseudo Direct Drive 概念，并加入了英国汽车工业协会下的 Proving Factory 机构，主要致力于磁齿轮轮毂电机及其控制的研究、生产与制造， 以获得更加平稳的输 出以及更高的效率。德国的 GKN Driveline 和日本的 YASA motors 对轴向磁通轮毂电 机的开发也都有一定的基础。
(b) 传统集中式绕组无刷直流（BLDC）电机（33 槽/22 极）
(c) 新型集中式模块化绕组永磁同步（BLAC）电机（24 槽/22 极）（艾 德斯轮毂电机）
图 2 三种不同绕组结构的永磁无刷电机[2]-[4]
而以本项目针对的轮毂电机而言， 又可分为直驱低速方式和带减速齿轮的高速方式两种方 案。
主，电机相数多为三相，集中式绕组居多。单轮大功率轮毂电机（大于 12kW）一般为 水冷方式，硅钢片材料以 0.35mm 为主，直驱形式的电机最高转速一般小于 1200r/min。 学术研究和实际产品中最高转矩密度实测值与丰田普锐斯系列集中式驱动电机相似 （<45Nm/L） 。
鉴于本项目的研究对象为四轮独立驱动轮毂电机系统， 下面的分析以艾德斯A轮样 机为主要对比对象进行分析。图 23 为其结构图，具体的设计参数如表 6 所示。经研究 发现，该电机采用多单元方式提高系统可靠性与容错运行能力， 即沿着圆周一共布置有 8 个三相外转子表贴式永磁同步电机，每个电机为 9 槽 10 极，故整个圆周一共有 72 槽/80 极，采用集中式电枢 绕组以减小端部长度和提高功率密度。由表 6 可知，该电机 的转矩密度和比转矩都较大。然而经研究发现，由于轮毂电机多采用直驱工作方式，转 速较低，极对数较多，传统转子永磁型结构存在如下技术瓶颈：
而全球知名的汽车部件供应商德国舍弗勒集团（Schaeffer AG）也提出了基 于其创新 产品 E-Wheel Drive[36]，完成了驱动系统从汽车中心向轮内的转移。该公司主要采用转 子结构， E-Wheel 解决方案安装在 Ford Fiesta 的两个后轮之 其上，概念车的路面测试 具有非常好的行驶效果。
2714-2720.
[4] Wang J, Xia Z.P, Howe D. Three-phase modular permanent-magnet brushless machine for
torque boosting on a downsized ICE vehicle. IEEE Transactions on Vehicular Technology,
Brushless Machines with Concentrated, Distributed and Modular Windings. The 3rd IET
International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, Dublin, Ireland, 2006.
转矩密度 (Nm/L)
最高转速 (r/min)
1600
输出转矩@1600r/min (Nm) 328
功率密度 (kW/L) 比 转 矩 (Nm/kg) 比功率 (kW/kg)
值 380 125 13.93 34 40.80 3.38 19.11 1.59
因此，本项目将以四轮独立驱动电动汽车为应用对象，以提高驱动系统的转 矩密度、
图 23 艾德斯轮毂电机实物图[35]
参数名称
表 6 艾德斯轮毂电机设计参数[35]
值
参数名称
额定功率 (kW)
40
转子外径 (mm)
直流母线电压 (V)
400
轴长 (mm)
最大功率 (kW)
60
体积 (L)
额定转速 (r/min)
850
重量
额定输出转矩 (Nm)
550
(kg)
最大转矩 (Nm)
900
1、轮毂电机直接将动力传递给车轮，取消了离合器、变速器、传动轴、差速器及相互之 间的机械传动总成，此外悬架和制动系统也可集成于车轮的轮毂里，底盘结构大大简化，精简 了传动链，可提高系统效率和可靠性；
2、无齿轮摩擦、润滑问题，使用寿命延长； 3、使得车内空间布局更为灵活，为动力电池以及其它车内设备提供了更多空间，使底盘 布置形式扁平化，提高乘车舒适度与安全性； 4、轮毂式直接驱动使各车轮的驱动力独立可控，动力学控制更为灵活，可方便地实现驱 动轮数量及形式的转换，有利于提高恶劣路面条件下的行驶性能； 5、容易实现车轮的电气制动、机电复合制动，提高再生制动能量回收效率。 许多汽车厂商将轮毂电机驱动作为下一代电动汽车的发展方向之一， 纷纷加 大投入，不 断推出各类新型概念车。英国 Protean Electric 公司所提出的四轮独立驱动电动汽车底盘和 轮毂电机如图 1 所示[1]。
1.2.1. 学术界研究现状及发展动态 A. 转子永磁型无刷电机 (1) 传统转子永磁型无刷电机结构
直驱式轮毂电机通常以外转子永磁无刷电机为主，如图 2 所示主要包括：采用分布式绕
组的永磁同步电机（每极每相槽数为 1） （图 2a） 采用集中式绕组的 、无刷直流电机（每 极每相槽数为 0.5）（图 2b）采用新型集中式模块化绕组（分 、数槽）的永磁同步电机（定 子槽数与转子极数相差 2） （图 2c）[2]-[4]。研究表明： 采用分数槽集中式绕组电机可以缩短绕组端部长度，减小用铜量和铜耗，提高效率，同时减小 电机轴向长度，增加转矩（功率）密度。然而，该类型电机尽管可以获得较为正弦的空载感 应电势与较小的定位力矩（齿槽转矩） 但是其高次谐波的绕组因数会显著增加，增加高频损 耗，尤其当电机需要运行于较高转速时， 这个问题更加严重。
Magnet Synchronous in-Wheel Motor for Hybrid Electric Drive System, IEEE Transactions
on Magnetics, vol. 45, no. 1, pp. 278-281, Jan. 2009.
[8] Frandsen, Tommy V., Peter Omand Rasmussen, and Karsten K. Jensen. Improved Motor
图 1 Protean Electric 四轮独立电动汽车轮毂式驱动[1]
然而， 作为四轮独立驱动电动汽车的轮毂电机， 对其性能也提出了更高要求： （1）尺寸紧凑、重量轻、转动惯量小、功率密度高； （2）在启动和爬坡等低速工况时输出扭矩大，高速巡航时输出功率大； （3）输出等功率（恒功率运行范围内）的转速变化范围区间很大； （4）瞬时功率大，扭矩响应快； （5）宽转速变化范围内效率高（高效范围区广） ； （6）能量回馈制动效率高； （7）各种运行工况下可靠性和鲁棒性高，容错运行能力强； （8）价格合理。
（1）在采用集中式电枢绕组的条件下，产生正弦感应电势的设计要求较高； （2）电枢磁场与永磁磁场相互耦合大，退磁风险较高； （3）若永磁体采用表贴式，则需在转子轭部开槽固定，易产生极间漏磁， 影响电 机功率密度； （4）若永磁体采用径向内置式，则每极磁通可能较小，且增加永磁体厚度， 必然导 致转子轭部减小，增加轭部饱和； （5）若永磁体采用切向内置式，转子齿弧与永磁体充磁长度在空间上互相约束， 进而限制了最优结构参数下的永磁体利用率及转矩脉动比。
2005, 54(3): 809-816.
[5] A. J. Rix and M. J. Kamper, Radial-Flux Permanent-Magnet Hub Drives: A Comparison
Based on Stator and Rotor Topologies, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59,
[3] Wang J, Atallah K, Z.Q. Zhu, D. Howe. Modular three-phase permanent-magnet brushless
machines for in-wheel applications. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2008, 57(5):
图 21 Protean Electric 直驱轮毂方案[35]
图 22 Schaeffer AG 带减速齿轮轮毂方案[36]
1.3. 转子永磁型结构的优势与不足：
总结"1.2.国内外研究现状及发展动态分析" 可以得到如下结论： 无论是学术界还是工业界， 四轮独立驱动轮毂电机结构以转子永磁型表面贴装式为
no. 6, pp. 2475-2483, 2012.
[6] Shi-UK Chung, Seok-Hwan Moon, Dong-Jun Kim, and Jong-Moo Kim, Development of a
20-Pole-24-Slot SPMSM With Consequent Pole Rotor for In-Wheel Direct Drive, IEEE
动态响应能力、高效区范围、集成度、可靠性及容错运行能力为目标，
提出并研究一种多单元转子永磁磁通切换型轮毂电机驱动系统。
1.6. 参考文献
[1] [Online]. Available: http://www.proteanelectric.com/en/specifications/
[2] Wang J, Xia Z.P, Howe D, S.A. Long. Comparative Study of 3-Phase Permanent Magnet
关于轮ห้องสมุดไป่ตู้电机产品的技术说明
1．项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展 趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应 用前景。 附主要参 考文献目录）
1.1. 四轮独立驱动轮毂电机的研究意义：
时至今日，电动汽车已发生了巨大变化，类型也多种多样。电动汽车作为清洁新能源交 通工具正受到人们越来越多的关注和响应。 （拔高，国家重大需求） 作为电动汽车的关键核心 部件，根据电驱系统驱动车轮的方式和安装位置， 可以分为集中式驱动与轮毂式驱动两种。轮 毂电机安装在轮毂内，通过与轮轴相 连接的方式直接驱动汽车，或者通过机械减速装置间驱 动车辆行驶。相对于集中式驱动，利用轮毂电机进行四轮独立驱动的优点包括：
其中，英国 Protean Electric[35]开发了针对混合、插电混合动力和轻型纯电动车的外 转子轮毂电驱动系统。该公司的产品提供了高度集成化、直驱控制的解决 方案，并且能够移 植到不同尺寸的应用对象中。在 2013 年，该公司就已经能够 生产单个转矩输出 1000Nm （峰值）功率 75kW（峰值）峰值转矩输出能力比 上一代产品高出 25%，重量仅为 35kg， 再生制动利用率高达 85%。该系统能够 与传统车辆动力总成良好配合，改装成为混合动力 汽车，应用在 18-24 英寸的车轮上。该公司成功应用的车型包括：沃克斯豪尔箱式货运车、广 汽传祺、福特 F150 皮卡，以及 BRABUS 改装的梅赛德斯-奔驰 E 级混合动力车及纯电 动车。
Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 1, Jan. 2016. pp. 302-309, 2016.
[7] Chai Feng, Xia Jing, Guo Bin, Cheng Shukang, and Zhang Jiange, Double-Stator Permanent
采用轮毂电机系统， 能够通过不同车轮运动的独立控制实现更加智能化的车 辆驱动模式，是面向人车交互、无人驾驶的未来车辆重要发展方向。目前，国际上一些知名企业 已经掌握了高转矩密度的直驱式轮毂电机系统的设计与制造方 法，但仍存在着永磁体用量大、 制造成本高、工艺复杂、容错能力弱的缺点。
1.2. 国内外研究现状及发展动态分析：
此外，英国谢菲尔德大学的研究人员成立的 Magnomatics 公司[37]-[39]，提出了基 于磁齿轮的 Pseudo Direct Drive 概念，并加入了英国汽车工业协会下的 Proving Factory 机构，主要致力于磁齿轮轮毂电机及其控制的研究、生产与制造， 以获得更加平稳的输 出以及更高的效率。德国的 GKN Driveline 和日本的 YASA motors 对轴向磁通轮毂电 机的开发也都有一定的基础。