AFPM型輪轂驅動電機研究綜述

戴建國 趙志國 劉臺鳳 王程 胡曉明

摘要：新能源汽車產業化是推動汽車產業可持續發展的重要途徑，是解決當前能源短缺與環境問題的關鍵舉措。電動汽車作為新能源汽車的重要發展方向，將在未來汽車產業競爭中起到至關重要的作用，其中尤以輪轂驅動方式的電動汽車最為突出。軸向磁通永磁無刷電機以其結構緊湊、功率密度高、工作噪聲低以及散熱性能好等優點逐漸成為輪轂驅動裝置的優選對象。在對AFPM電機技術研究現狀進行闡述的基礎上，著重分析了AFPM電機在輪轂驅動方面的工程應用及存在的技術問題，尤其是AFPM電機與其他系統的匹配和在高負荷工況下的散熱技術問題，并對其在未來汽車行業發展中將起到的關鍵作用進行了展望。研究結果對AFPM電機在新能源汽車領域的技術應用具有一定的參考價值。

關鍵詞：車輛工程；AFPM電機；輪轂驅動；電動汽車；高功率密度

中圖分類號：U469.72文獻標志碼：A

Review of research on AFPM hub motor

DAI Jianguo， ZHAO Zhiguo， LIU Taifeng， WANG Cheng， HU Xiaoming

（Faculty of Transportation Engineering， Huaiyin Institute of Technology， Huaian， Jiangsu 223003， China）

Abstract：The industrialization of new energy vehicles is an important way to promote the sustainable development of automobile industry， and it is also the key measure to solve the problems of energy and environment. As an important type of new energy vehicles， electric vehicles will play an important role in the future competition in the automotive industry， especially in the field of electric vehicle driven by wheel. With the advantages of compact structure， high power density， low working noise and good heat dissipation performance， the AFPM motor has gradually become the preferred object of the hub driving device. Based on the statement of the technical development and research status about AFPM motor， this paper mainly analyzes the engineering application and technical problems of AFPM motor in hub drive， especially the matching of AFPM motor with other systems and the problem of heat dissipation at high load conditions， and looks forward to the key role in the future development of the automotive industry. This paper will play a certain reference and guiding role in the application of AFPM motor in the field of new energy vehicles.

Keywords：vehicle engineering； AFPM motor； hub driven； electric vehicle； high power density

資源短缺與環境污染是當今社會發展面臨的主要問題，也是制約傳統汽車發展的重要瓶頸因素[1-2]。推進傳統汽車節能減排和新能源汽車產業化將成為汽車產業發展亟需解決的重大課題，是推動汽車產業可持續發展的緊迫任務[3]。在全球汽車產業轉型升級的關鍵過渡時期，中國汽車行業應抓住契機，解決關鍵問題，掌握核心技術，大力發展電動汽車，在全球汽車產業競爭中占得先機，力爭行業領先地位。

電動汽車產業發展的關鍵環節是電池、電機和電控這“三電”技術，在電機及其控制技術方面，中國汽車產業存在明顯的劣勢，但目前已有越來越多的科研機構及企業將目光轉移至電動汽車輪轂驅動電機技術上，對輪轂電機的研究如雨后春筍般涌現[4-6]。

輪轂電機又稱為車輪內裝電機，能夠簡化車輛結構、可實現多種復雜驅動方式，具有便于采用多種新能源技術的優點[7]。如今各式各樣的輪轂電機及其控制方法層出不窮，尤以美國、日本、德國、法國等發達國家的輪轂電機技術最為突出[8-10]。美國的Robert是最早發明輪轂驅動裝置的，他將電動機、傳動系和制動系全部融入至輪轂裝置中，將該技術申請了發明專利。該技術于1968年被通用電氣公司應用于大型礦用自卸車上。日本的清水浩教授從1991年開始進行電動汽車研究，該課題組研制出了多種輪轂驅動電機，并成功應用于多種電動汽車車型，緊接著本田、三菱、東洋等企業均相繼推出了輪轂驅動型電動汽車。隨后，美國、德國、法國、英國的多家知名車企均相繼展出了不同形式的輪轂驅動技術產品。

中國在該領域起步較晚，但隨著國家政策的激勵與資金的投入，高校及研究機構對輪轂電機技術的研究均有所加強，研究較為前沿且已獲得一定成果的有同濟大學、北京理工大學、吉林大學等高校，企業方面以廣汽集團和奇瑞公司對輪轂驅動技術的研究成果較為突出，并已推出了采用輪轂驅動的純電動車產品[11-13]。

為了滿足輪轂電機高功率密度、低速大扭矩以及寬恒功率范圍的需求，通常選用的永磁輪轂電機結構形式有：徑向磁通永磁同步電機、橫向磁通永磁同步電機以及軸向磁通永磁同步電機。綜合分析這3種結構形式的電機可以發現，徑向磁通永磁同步電機結構尺寸較大，作為輪轂驅動裝置的空間利用率較低，不利于電動汽車輪轂裝置的布置；橫向磁通永磁同步電機具有高轉矩密度和低速大扭矩的優點，非常適合于直驅式輪轂系統，但其存在磁漏系數大、功率因數低、定位力矩大、結構復雜和工藝要求高等缺點，使得其在輪轂系統中的應用受限；而軸向磁通永磁同步電機以其獨特的扁平結構、較好的散熱性能、較小的振動噪聲等優點更適合作為輪轂系統的驅動裝置[14]。

1AFPM型電機的技術發展與研究現狀

AFPM盤式電機相比常規徑向磁場電機具有功率密度高、慣性小、體積小、易于裝配、散熱性能好等優點，近年來開始大量應用于機器人關節、風扇、風力發電、電動汽車驅動以及飛行工具推進器等有一定空間限制的領域[15]，其結構如圖1所示。

美國比德哥煦生命科技大學的GIERAS等[15]通過長期對AFPM電機技術的研究，撰寫了介紹AFPM電機的專著，詳細敘述了當前常見的各類AFPM電機的結構及磁路設計原理，并涵括了對電機驅動與傳熱的探討，為AFPM電機進一步的研究提供了系統的分析方法與翔實的理論數據。

對AFPM電機的研究早在1978年就已經有了較為成功的案例，意大利比薩大學的BRAMANTI[16]首先提出了制造AFPM電機的方法，并通過分析AFPM電機的軸向磁場特性，研制出了一臺雙定子內轉子軸向磁通永磁同步電機。至20世紀80年代，WEH等[17]詳細分析了不同結構的AFPM電機優缺點，并研制出一臺雙外轉子內定子結構的高轉速、高轉矩的軸向磁通永磁同步電機，在當時引起了較大的影響；隨后其將研究方向轉向大功率低轉速的AFPM電機，為了減少電機的慣量，在轉子圓盤上應用強化纖維塑料，成功地研制了一臺220 kW，3.8 kNm低速高轉矩的軸向磁通永磁同步電機[18]。隨后全方位的開展了AFPM電機的研究。

曼徹斯特理工大學的SPOONER等[19]和DOSTAL等[20]提出了一種新的定子鐵芯不開槽TROUS型軸向磁通永磁無刷直流電機結構型式，該電機具有雙外轉子內定子結構，定子繞組環繞在定子鐵芯之上，使得定子繞組低端縮短，進而提高了電機的效率和功率密度。馬來亞大學的MAHMOUDI等[21-23]基于遺傳算法優化設計了1臺三相四極50 Hz的AFPM電機，優化目標包括最大化功率密度、最小化諧波畸變率、正弦反電勢波形最大化以及低齒槽轉矩，并通過試驗驗證了優化效果的有效性。科賈埃利大學的AYDIN等[24-25]對1臺24槽8極單定子雙轉子AFPM電機展開了研究，總結了減小電機齒槽轉矩的方法，通過對多種方法的對比得出，斜槽斜極是削弱齒槽轉矩最有效的方法，并細致分析了永磁體斜極以及采用不同斜極方式削弱齒槽轉矩的效果，最后以試驗驗證了此類方法的有效性。

國外對AFPM電機的研究已經達到了產品化的階段。目前為止，已有瑞士INFRANOR公司、德國Robert Bosch公司和羅馬尼亞電力工程研究所等在生產系列的AFPM電機產品。

中國關于AFPM電機的研究處于初步發展階段，但已取得了一定的成果。沈陽工業大學的王曉遠等[26]對一種基于Halbach陣列的AFPM盤式電機展開了研究，并從電機優化設計的角度出發，提出了一種新型楔形氣隙電機結構，通過改變氣隙結構以提升電機的氣隙磁密，進而改善電機性能。考慮到AFPM電機盤式布置的型式，其內部氣隙磁密分布較為復雜，河南理工大學的SHANGGUAN等[27-28]通過傳統磁路法以及有限元切片法對AFPM電機的氣隙磁密進行了深入研究和計算分析，明確了電機氣隙磁密的分布狀態。

為了研究整體磁極斜極與分段磁極斜極對齒槽轉矩的不同影響，周俊杰等[29]基于能量法和傅里葉分解法，推導出AFPM電機在斜極前后的齒槽轉矩解析表達式，并利用有限元法展開仿真與分析，發現采用分段磁極斜極方法對削弱AFPM電機的齒槽轉矩具有更理想的效果。

2AFPM型電機的分類

AFPM電機依據不同的標準有不同的分類情況。若按照定子和轉子的個數劃分，可分為單定子-單轉子結構（簡稱SS）、單定子-雙轉子結構（簡稱TORUS）、雙定子-單轉子（簡稱AFIR）和多定子-多轉子結構（簡稱MS）4種，如圖2所示[30-32]。AFPM型電機多用作牽引及驅動裝置，因此主要根據其產生的轉矩能力來選擇電機結構。在圖2所示的4種結構中，在相同尺寸條件下，MS結構產生的轉矩是AFIR結構和TORUS結構的2倍，是SS結構的4倍[33]，由此可見，定子轉子數目的增多有利于提升AFPM電機的轉矩輸出。

若按照磁通閉合路徑的不同劃分，AFPM電機可分為定子有鐵芯和定子無鐵芯結構，如圖3所示[34]。定子無鐵芯結構具有電機效率高、散熱性好、定子磁路線性化等優點，但其存在電感較小，恒功率區小，繞組渦流損耗大等缺點[35-36]。定子有鐵芯結構還可進一步劃分為有槽和無槽2種形式。定子有槽可以減小齒槽轉矩，但存在繞組渦流損耗大、恒功率范圍小的缺點；定子鐵芯無槽可以提高電機的恒功率范圍，但同時會產生較大的損耗問題[35]。

3AFPM型電機在輪轂驅動方面的工程應用

輪轂驅動的方式可為電動汽車提供更加靈活多變的驅動選擇，將電機整合在車輪內部來直接驅動車輪轉動，極大地提高了車輛的傳動效率和底盤的可操作性，同時節省了電動汽車的布置空間[37]，有效提升了車輛的空間利用率。

意大利SOLERO等[38]研制的4.5 kW無槽結構AFPM輪轂電機應用于三輪電動車，其剖面圖如圖4所示，該電機采用雙轉子-單定子背靠背繞組結構，有效縮短繞組端部。應用此種AFPM型輪轂電機的電動車持續行駛速度為50 km/h，最大行駛速度可達80 km/h。

通用汽車公司和羅馬大學合作研制的軸向磁場永磁驅動輪轂電機，如圖5所示，該電機應用于混合電力汽車GMs S10，最大轉矩為500 N·m，最大功率為25 kW，最高轉速可達1 200 r/min[39]。此輪轂電機采用有鐵芯開槽結構，冷卻方式為液冷。為了獲得較高的轉矩密度選取了較多的極對數和較大的電機外徑；為降低定位力矩，將轉子磁鋼不等距分布，并采用磁性槽楔以削弱定子的開槽效應；為了進一步提高電機功率密度，根據轉子鐵芯的磁力線分布，削減磁密較低的多余鐵芯。此外，水冷鋁環和高熱導率的環氧一起用于定子外側，能有效降低電機的溫升。

中國對AFPM型輪轂驅動電機方面的研究取得不錯的成就。鄧秋玲等[40]提出了一種應用于混合動力汽車的新型高密度AFPM輪轂驅動電機，此電機的電樞由分段的疊片定子極和簡單的繞組所構成，節約了成本，降低了損耗，不僅解決了軸向磁場電機電樞鐵芯制造困難的問題，同時還可以獲得較好的性能。清華大學盧東斌等[41]提出一種基于霍爾傳感器的磁場定向控制應用在電動汽車永磁無刷輪轂電機的方法。永磁無刷輪轂電機一般為外轉子結構，采用霍爾傳感器作為位置傳感器，可以實現較好的轉矩控制，保證車輛的平順性和舒適性，同時具有電機結構緊湊和方案成本低的優點。哈爾濱工業大學的倪榮剛[14]探討了AFPM輪轂電機的輸出特性與電磁參數的關系，并給出其計算方法和影響因素，同時指出所研究輪轂系統的輸出能力還受到電機損耗和溫升的影響，為后續AFPM輪轂電機的研究明確了一定的方向。

4AFPM型輪轂驅動電機存在的關鍵技術問題

AFPM電機的技術得到了飛速發展，但其作為電動汽車輪轂驅動裝置仍存在以下技術問題。

1）制動器、位置傳感器和控制系統需要與AFPM型輪轂電機進行配套

AFPM型輪轂驅動電機需要分辨率高、外型扁平、與電機結構配套的傳感器和控制器，控制系統宜采用高速微處理器和數字信號處理器（DSP），運用矢量控制方法和無位置傳感器控制，以提高系統的可靠性和對環境的適應性[42]。

2）車輪內部空間有限，需要合理布置

由于車輪內部空間限制，給驅動電機、制動系統、減速機構、控制系統的合理布置增加了難度，尤其是輪轂電機已占據了車輪內部的大部分空間，這就使制動器的安裝更為困難，即使采用結構優化安裝了制動系統，緊湊的布置形式也容易導致制動器及輪轂電機的散熱、機械制動和再生制動的協調等方面問題，同時影響車輪的定位參數，造成電動汽車的操縱穩定性下降。因此，AFPM輪轂電機的空間布置及驅動制動控制也將是今后研究的關鍵技術[43]。

3）AFPM輪轂電機應具有良好的散熱性和密封性

輪轂電機處于過載運行時，電機溫度會升高，為了防止這一現象產生，輪轂電機應具有良好的散熱性，然而，為了防止車輪涉水、塵土污染等使輪轂電機受到損壞，輪轂電機還應具有較好的密封性。因此，需要考慮如何兼顧散熱和密封這兩大關鍵問題。

4）AFPM輪轂電機應具有較好的轉矩波動抑制能力

電動汽車采用輪轂驅動形式，具有簡化車輛結構、可實現多種復雜驅動方式以及便于采用多種新能源技術等優點，然而輪轂驅動的方式增大了車輪的簧下質量和輪轂轉動慣量，并會產生一定的垂向激勵，將會對車輛的操縱穩定性、行駛平順性以及安全性帶來影響，因此AFPM電機作為輪轂驅動裝置應具有較好的轉矩波動抑制能力，以盡可能地降低輪轂驅動所帶來的垂向激勵。

5結論

AFPM型電機在功率密度和工作效率等方面具有優異的表現，現已成為輪轂電機領域的研究熱點。本文闡述了AFPM電機的國內外研究現狀及其結構分類，并對AFPM電機在輪轂驅動方面的研究及工程應用情況進行了描述，在此基礎之上，結合AFPM電機自身特性及其在輪轂驅動技術方面的匹配問題，指出了當前AFPM電機作為輪轂驅動裝置存在的關鍵技術問題，尤其是AFPM電機與其他系統的匹配和在高負荷工況下的散熱技術問題。

在后續的研究過程中，只有解決了所提出的幾個關鍵技術難點，方可推動AFPM電機在輪轂驅動方面的技術應用，進而實現其產業化發展。

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