輪轂電機篇（上）基本結構、原理、分類及優劣勢分析
能源汽車的解決方案中，有一種非主流的方案一直沒有受到廣泛的關注，而他們的工程師卻一直默默的努力著，他們認為這項技術能夠顛覆人類出行。這就是今天要講的輪轂電機。
感謝Protean、Elaphe、舍弗勒、NSK等公司提供的素材。前兩個公司是輪轂電機行業的領軍者。
基本結構和原理
輪轂電機，顧名思義是將電機安裝在車輛輪轂上。電機直接驅動車輪帶動整車行駛。電機一般都是永磁同步電機。
如上圖所示，搭載有輪轂電機的車輛沒有了傳統的發動機、變速箱、驅動軸、排氣系統。
雖然各家輪轂電機在細節上略有差異，但基本結構都是類似的。如上圖以Protean公司的PD18產品為例，一般都是將制動盤、制動卡鉗、電機定子、電機轉子集成到標準的輪輞內。轉子與制動盤、輪輞固定在一起。
上圖剖面圖（TM4公司產品）看的更直觀些。這款產品定子在內，轉子在外；連接外部的分別是冷卻水管和控制電纜。
這些機械結構統統布置在懸架內，對懸架的設計也具有一定的挑戰。上圖分別顯示了扭力梁懸架、多連桿懸架集成輪轂電機的例子。
基本分類
1 帶減速機構的輪轂電機
有些輪轂電機採用高速內轉子電機，配備固定傳動比的減速器，這樣能夠獲得較高的功率密度，電機的轉速最高可達1萬轉。
上圖是NSK公司提供的輪轂電機解決方案。減速器採用了行星齒輪減速機構。
2 直驅式輪轂電機
絕大多數的輪轂電機都是不帶減速機構的，稱為直驅式輪轂電機，這部分電機轉速一般比較低。我們第一部分都是以這類輪轂電機為例來進行講解的。
直驅式輪轂電機根據永磁體和定轉子位置不同可以分為三類：內轉子電機、外轉子電機和軸向電機（Axial-flux motor）。
優勢分析
1 成本的降低
輪轂電機一個最直接的好處就是整車將會取消一大批零部件。
發動機、變速箱、離合器、傳動軸、驅動軸、差速器等等都會取消。而且這絕大多數都是技術壁壘高、開發難度大的零部件，無形中減少了巨大的研發費。當然，整車成本也會大幅度下降（不過目前輪轂電機尚未形成規模效應，其成本也很高）。
2 節能環保
作為新能源解決方案，節能環保是自帶屬性。除了電能替代石油實現的節能環保外，輕量化是最大的貢獻。
上圖是福特F150應用輪轂電機在取消傳統零部件後實現了約618Kg的減重效果，自然能夠節省能源。
並且這種節能效果隨著車速的增加越來越明顯。
3 模塊化設計
如果車輛的驅動系統換為輪轂電機，只有車輪大小會對動力系統產生布置方面的影響。這樣真正實現了汽車模塊化，「換殼生產」從此不是夢。
4 強大的動力
與其他電動車一樣，電機先天的優勢帶來在加速度上相對於傳統車的絕對領先。下圖紅色曲線是汽油機配合變速箱實現的不同車速下的驅動力，而綠色則是4個輪轂電機輸出的動力。
以下為寶馬X6輪轂電機版與汽油機版的對比。
5 更優的控制
由於四個輪轂電機能分別直接控制四個車輪，這使得理論上對車輛的控制更加直接、準確。
劣勢及挑戰
雖然輪轂電機有很多的優勢，但至今沒有發展成主流，必然還是有很多劣勢的。對於堅持輪轂電機的工程師們而言，這是對他們的挑戰。
1 平順性的影響
輪轂電機最飽受詬病的是沉重的輪轂電機會使得車輛的簧下質量大幅度增加，這會嚴重影響車輛行駛的平順性和操控性。
通過車輛四分之一懸架模型分析，隨著簧下質量的增加，懸架二階共振加速度峰值會顯著增加。
2 熱管理
輪轂電機全部集成在輪輞內，散熱環境差。電機工作過程中散發的熱量難以耗散，尤其是制動過程中產生的大量熱量很容易使得電機過熱。而電機過熱會導致永磁體退磁，直接影響電機壽命。
通過冷卻水管導入冷卻水帶走熱量是常用的解決方案。
3 集成控制
雖然理論上而言，四個電機控制四個車輪會使得車輛有著更精確的控制，但實現四個電機的協作工作還是很困難的。尤其與目前發展了幾十年，成熟的ABSESP等系統相比，還有一定的差距需要彌補。
4 可靠性
可靠性的挑戰一方面是來源於輪轂電機的使用環境是在車輪內，難免會受到衝擊、沙石、泥水的污染破壞；另一方面是來自於電磁兼容。
總結
總而言之，輪轂電機還有很長的道路要走。我們今天拋磚引玉，下一篇給大家介紹工程師們是如何應對這些挑戰的，並著重介紹下輪轂電機在開發過程中的驗證手段。
下面是Protean公司輪轂電機宣傳短視頻，只有30多秒，感興趣可以看一下~
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