電傳動車輛永磁輪轂電機技術現狀及展望

柴鳳， 于雁磊， 裴宇龍

(哈爾濱工業大學 電氣工程及自動化學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

隨著陸戰平臺全電化發展模式的提出，電傳動、電武器、電防護、電子綜合化等成為該領域的關鍵技術[1-2]。作為未來地面高機動平臺的發展模式之一，電傳動車輛顯示出蓬勃的生機，電傳動車輛相對于傳統的機械傳動車輛，具有機動性優良、有效空間大、能源利用效率高、總體布置和集成簡單等諸多優勢，得到世界各國的青睞[3-6]。

電傳動車輛要保證在各種復雜地形環境的通過性，既要具備一定的爬坡越野能力，又要保證高速巡航及追擊能力，因此需要輪轂電機具有較高的峰值轉矩和良好的擴速能力。同時，輪轂電機為非簧載質量，而且車輪空間有限，對輪轂電機體積和質量要求極其苛刻。因此，高轉矩密度輪轂電機的技術突破和創新研究是目前亟待解決的問題。

目前，電傳動車輛中主要采用輪轂電機直驅或輪轂電機加機械減速器構型，輪轂電機主要采用永磁同步電機、感應電機、開關磁阻電機等[7-8]。其中，以美國通用動力公司先進混合動力電傳動系統為典型，其演示樣車構型如圖1所示。隨著未來地面機動平臺整體動力需求的提高，探索新型輪轂電機拓撲及其驅動構型有望推動電傳動車輛的技術革新。

圖1 美國通用動力公司先進混合動力電傳動演示樣車構型Fig.1 U.S. General Dynamics advanced hybrid electric drive (AHED) demonstration vehicle configuration

本文系統介紹了電傳動車輛永磁輪轂電機的發展現狀、發展趨勢及其關鍵技術問題，重點闡述了新型永磁輪轂電機在電傳動車輛中的應用潛力和亟需解決的關鍵問題，展望了未來新型輪轂電機系統構型，促進了輪轂電機系統的多樣化，為我國全電化車輛的蓬勃發展提供相關技術儲備。

1 輪轂電機的國內外發展現狀

高性能永磁輪轂電機是電傳動系統的動力核心，具有較高的Corner功率(最大轉矩×最高轉速)和質量轉矩密度，這是衡量輪轂電機性能的關鍵指標之一[9]。其中，感應電機和開關磁阻電機均屬于單邊勵磁，Corner功率和質量轉矩密度不高，通常作為輪邊電機，例如美國Tesla汽車采用的就是感應電機方案。相對而言，永磁電機采用雙邊勵磁，具有高效、高Corner功率和質量轉矩密度等優點，是目前輪轂電機的首選，得到世界各國的大力發展。

輪轂電機最早起源于德國和美國[10-12]，進入21世紀，輪轂電機的研發在全球方興未艾，在民用輪轂電機領域，日本慶應義塾大學清水浩教授團隊試制出IZA、ECO、KAZ等多種輪轂驅動樣車[13-14]。在軍用輪轂電機領域，世界軍用車輛所采用的輪轂電機產品主要分為兩大派系，即以德國Magnet Motor(MM)公司為代表的德系和以英國QinetiQ公司、Magtech公司為代表的英系，它們均采用永磁輪轂電機傳動方案，輪轂電機單元具有極強的輸出能力。

電傳動車輛中永磁輪轂電機單元結構形式多樣，可按圖2所示的方式進行分類。輪轂單元的驅動構型主要可分為減速驅動和直接驅動，其中，直接驅動輪轂電機直接給車輪提供動力，而減速驅動經過減速器驅動車輪。

圖2 永磁輪轂驅動單元的分類Fig.2 Classification of permanent magnet in-wheel drive unit

對于輪轂電機，按定轉子相對位置可分為內轉子和外轉子結構。內轉子結構輪轂電機一般與機械減速機構配合，是目前重型電傳動車輛的主流選擇；外轉子輪轂電機適用于直驅場合，相對于內轉子結構具有更高的過載能力和轉矩輸出能力，但定子散熱難度更大，多用于中小型電傳動車輛。德國MM公司的M73、M70、德國Schaeffler公司輪轂電機等采用內轉子結構，而MM公司的M67、英國Protean公司輪轂電機等采用外轉子結構。按磁通走向可分為軸向和徑向磁通，軸向磁場永磁輪轂電機形狀扁平，易于安裝，能充分利用輪轂內部空間，可做成多層或多段式結構，但存在機械偏心問題，在輪轂電機外徑較大時更為突出。此外，輪轂電機按有無鐵心可分為有鐵心和無鐵心兩種，相對而言，無鐵心電機質量輕、轉矩密度大而且過載時無飽和現象，電機輸出性能較好，但氣隙磁密低，當電機輸出轉矩與輸出功率需求較大時定子電流很大，銅損急劇增加。因此該類電機只適合用于小功率驅動系統，例如在小型飛機上，以美國LaunchPoint公司的產品最具代表性，電機轉子永磁體采用Halbach充磁方式，定子繞組采用樹脂澆注成型，轉子背板和輪圈采用輕質高強度的碳纖維復合材料。表1所示為現階段輪轂電機產品關鍵指標比較。

表1 輪轂電機產品關鍵指標比較Tab.1 Key performances of in-wheel motors

目前，對于減速式輪轂電機驅動構型，減速器可選用機械減速器和磁齒輪減速器兩種，最初的設計思路是輪轂電機與機械減速器集成。與機械齒輪相比，磁齒輪具有無摩擦、噪聲小、振動弱、無需潤滑、少維護等優勢，因此人們也開始嘗試將輪轂電機與磁齒輪集成化設計。早在21世紀初，香港大學就研發出一種輪轂電機與磁齒輪結合的復合式輪轂驅動系統，去掉了機械減速齒輪[15]，但是該復合式輪轂電機系統具有多層氣隙，結構復雜，加工制造難度較大，在電傳動車輛中的實用性不高。

目前，國內外輪轂電機方面的研究已經取得了顯著的成果，但是相對而言國外的技術更成熟，憑借多年的技術積累和先進的制造工藝，在電磁性能、散熱冷卻和結構優化等方面更勝一籌，目前已有的輪轂電機產品已成功實現民用化，更甚者已經部分實現軍用化。由此可以看到，軍用輪轂電機在Corner功率密度方面更勝一籌，強調輪轂電機的極限輸出能力，而民用輪轂電機則更關注質量轉矩密度，強調輪轂電機的輕量化設計。近年來，國內輪轂電機研究進步明顯，在Corner功率和Corner功率密度方面與國外先進水平接近，但是，在高性能輪轂電機設計、制造工藝和批量化生產方面，還有很多地方值得去深究、細挖，尤其是在進一步提高轉矩密度、大比例減輕質量，提高輪轂電機與磁齒輪、機械齒輪等減速機構的集成化程度等方面迫在眉睫。

2 輪轂電機的發展趨勢

隨著車輛技術要求的提高，整車可靠性和輕量化成為發展的關鍵問題。對于輪轂驅動系統，需要保證輪轂電機的輸出性能、冷卻散熱滿足整車運行需求的同時，提高系統的機械強度和穩定性，增強輪轂單元整體輸出能力，其發展趨勢可總結為：

1)電機與減速機構一體化的機械集成設計；

2)電機與控制器一體化的電氣集成設計；

3)電機、減速器、控制器一體化集成設計；

4)電機、控制器單部件模塊化設計；

5)新原理、新材料、新工藝電機設計。

2.1 集成化、輕量化設計

2.1.1 重型車輛用輪轂電機

現階段，對于重型車輛用輪轂電機產品，在技術方案上均采用輪轂電機加減速器方案實現單輪高轉矩輸出，并且都經歷了由單純追求單一輪轂電機部件的高轉矩密度轉向追求單輪系統的高轉矩密度方向發展，即輪轂電機和減速器一體化集成設計，如圖3所示。

圖3 輪轂電機和機械減速器集成構型及發展趨勢Fig.3 Configuration and development trend of the integrated in-wheel motors and gear reducers

德國MM公司所研發的電動機系列產品，已被世界上許多軍用戰斗車輛輪轂電機驅動系統廣泛采用[16]，如圖4所示。該公司生產的輪轂電機具有高度緊湊性，功率密度和轉矩密度極高，散熱結構獨特，減速齒輪和輪轂電機軸向排布緊密。MM公司輪轂驅動單元構型也逐步由圖3中的A構型向D構型衍變，其對軸向空間和電機內部空間的利用率更高。

圖4 德國MM公司輪轂電機驅動單元Fig.4 Germany MM in-wheel motor drive unit

英國QinetiQ公司參與英國未來快速反應系統(FRES)的研制[17]，如圖5所示。該系統采用內轉子永磁同步電機，配以減速比為2的一級減速器，減速比低，減速器部分集成在輪轂電機內部，其構型如圖3中B構型所示。該構型對電機的最大轉矩要求較高，減速器的設計難度有所降低，但增大了輪轂電機的設計難度，對噸位比較大的車輛而言，動力匹配不當時會降低整體系統性能。QinetiQ公司的新一代輪轂驅動系統GXV-T，其構型如圖3中C構型所示。該系統采用二級機械減速器，減速比得以提升，電機可以采用高速設計方案，通過多級減速達到峰值轉矩。由此可以看到，QinetiQ公司多采用多級減速的方式，電機轉速較高，多級減速器設計體系成熟，占用空間小，整體輪轂單元更加緊湊、高效。

圖5 英國QinetiQ公司輪轂電機驅動單元Fig.5 UK QinetiQ in-wheel motor drive unit

2.1.2 輕型車輛用輪轂電機

相對來說，輕型車輛用輪轂電機運行環境穩定，對車輛的加速能力和穩定性追求更高，目前已有一系列輕量化措施，例如采用高強度、輕質結構材料和先進工藝，以及中空優化方法，在保證強度和安全的同時，實現輕量化目標。對于一些低功率、輕載的小型電動汽車，可選用結構扁平、適合輪內安裝的軸向磁通永磁輪轂電機。例如英國學者采用雙定子- 單轉子軸向磁通輪轂電機結構，將兩個定子固定在底盤上，使其成為簧上質量，而轉子則直接驅動車輪轉動，傳動效率更高，運行穩定性更好[18]。

目前，更多的是采用機械結構集成或控制器集成的方式縮小輪轂電機驅動系統的體積和質量，提高系統穩定性。日本精工株式會社(NSK)研發了配備二級機械減速器的輪轂電機單元，如圖6所示。通過兩個電機串聯和兩級行星齒輪機構，向單個車輪輸出扭矩；同時，兩電機間布置離合器，可共同或獨立工作，轉速方向相同或相反。整個輪轂單元具有傳動比調節范圍大、結構緊湊的優點，但是兩級機械行星齒輪設計難度增大[19]。

圖6 日本NSK集成行星齒輪式雙電機輪轂驅動系統Fig.6 Japan NSK dual-motor in-wheel drive system integrated with planetary gears

現階段，輪轂電機、控制器一體化的電氣集成設計是民用輪轂電機產品的主流發展方向。國外輪轂電機廠商，例如英國Protean公司和德國Schaeffler公司均采用電機、控制器集成設計的思想，輪轂電機單元的體積、質量大大降低。此外，Schaeffler公司研發的14 in內轉子輪轂電機單元還集成了行星齒輪減速器，充分利用了電機內部空間，各部件的集成度極高[20]，如圖7所示。但高度集成化使得電機散熱難度更大，而軍用輪轂電機運行工況惡劣，對系統散熱要求很高，若采用電機、控制器集成方式，將極大增加冷卻系統的設計難度，以目前冷卻系統的發展水平來看，實現起來仍有一定的困難。

圖7 德國Schaeffler公司“多合一”輪轂電機產品Fig.7 Germany Schaeffler “all-in-one” in-wheel motors

綜上所述，輪轂電機的瓶頸技術是需要同時具備較高的峰值轉矩和寬廣的擴速區域，即對電機提出了高速大扭矩的需求。無論是德國MM公司電機還是英國QinetiQ公司電機，其設計方案都無一例外要追求輪轂電機和機械齒輪減速器的最佳匹配。德系輪轂電機在高轉矩密度電機本體設計技術和制造工藝方面具備獨特優勢，英系輪轂電機在多級和變級機械減速器設計方面優勢更加明顯。在輕型車輛應用領域，輪轂電機、控制器和減速器等關鍵部件“二合一”及“多合一”一體化集成的發展趨勢顯著。

2.2 電機、控制器模塊化設計

不同于整體輪轂電機單元的一體化集成設計思想，模塊化設計是單個輪轂電機的發展趨勢。多模塊子電機、控制器系統能夠降低整車質量，增大輪轂電機系統容錯能力，保障車輛安全運行。

多模塊化設計方式可分為徑向多模塊和軸向多模塊。意大利Oto Melara公司采用2臺雙轉子- 單定子軸向磁場永磁同步輪轂電機軸向模塊串聯的形式，經行星齒輪減速后驅動車輪[21]。英國Protean公司研制的直驅式外轉子輪轂電機系統(見圖8)，其輪轂電機由幾個可單獨運行的模塊電機系統構成，同時輪轂單元內部集成多個獨立的逆變器，各個輪轂電機模塊可獨立控制[22-23]。

圖8 英國Protean公司模塊化輪轂電機系統Fig.8 UK Protean modular in-wheel motor system

2.3 新材料、新工藝電機設計

2.3.1 新材料電機設計

高溫超導電機具有體積小、質量輕、損耗低和效率高等一系列優點，將超導材料分別應用于不同結構的永磁電機中，電機性能將得以大幅度提升[24-26]。非晶合金材料具有高磁導率、低矯頑力和低損耗的特點，在電機中有廣闊前景，但開槽方式和退火等因素對非晶材料的損耗特性影響較大[27-30]。內置式永磁輪轂電機中磁橋處漏磁和轉子機械強度間存在矛盾，雙相材料不同位置呈現不同的材料特性，磁橋處的材料導磁率低且強度高，但該材料尚未成熟，目前仍處于研究階段[31]。部分新材料電機如圖9所示。

圖9 新材料電機Fig.9 Electrical machines made of new material

2.3.2 新工藝電機設計

電傳動車輛對輪轂電機轉矩密度以及過載能力要求很高，且車輛運行環境惡劣，需保證輪轂電機在高溫和強振工況下仍能正常工作，這對電機繞組工藝有非常高的要求。目前，在繞組工藝上比較先進的是美國Remy公司，其開發的HVH410系列電機采用獨特的高壓定子Hair-pin繞組，如圖10所示，用矩形截面的扁線代替傳統圓截面的圓線，槽滿率和結構強度提升，端部用銅量減少，產熱量降低[32]。同時，這種工藝使得電機具有更小的體積、質量和更高的效率、功率密度，易于集成化設計。現階段，扁銅線技術在民品電動車和混合動力車的驅動電機中得到廣泛應用，如日本Prius公司第4代驅動電機(見圖11)。但仍存在一些技術難點：一是在電機高速運行時交流損耗大；二是繞組設計參數選擇有限，整體設計靈活度低。

圖10 美國Remy公司Hair-pin電機Fig.10 US Remy hair-pin motor

圖11 日本Prius公司Hair-pin電機Fig.11 Japan Prius hair-pin motor

輪轂電機的冷卻系統制約了輪轂電機的極限輸出能力，傳統的冷卻方式如圖12所示，主要包括水冷和油冷兩大類，目前電機極限性能難以進一步提高，亟需新工藝引領冷卻系統的革新。近年來，增材制造技術發展迅猛，具有材料利用率高和制造異形復雜結構的優勢。已有研究將該技術應用于電機制造中，以增強電機冷卻效率、散熱能力及減重，例如加工多孔、異形等拓撲，制造中空銅導體并通以冷卻液等(見圖13)。但目前增材制造技術仍集中于電機中一個或幾個部件的替換，電機整機制造難度較大。同時，增材制造技術存在材料特性變化、孔隙大、結構和強度不穩定等特有問題，故應重點關注增材制造中多材料融合技術及與電機新型設計理念，這無疑將是電機領域的一次重大革新[33-36]。

圖12 電機傳統冷卻方式Fig.12 Conventional cooling methods for electrical machines

圖13 增材制造技術在電機中的應用實例Fig.13 Application of additive manufacturing technology in electrical machines

從整個輪轂電機單元發展趨勢來看，一體化輪轂電機集成技術方面亟需創新思想引領技術革新。不應追求單部件的高性能，需要追求整個輪轂單元的最優輸出能力和最佳匹配方式。同時，新材料、新工藝的出現為輪轂電機技術突破帶來曙光，在未來電傳動車輛的輪轂驅動系統中大有可為。

3 新型永磁電機在輪轂驅動中的應用前景

隨著電機領域不斷推陳出新，一系列新型輪轂電機不斷涌現，這有助于解決傳統永磁同步輪轂電機的部分瓶頸技術問題，在未來電傳動車輛永磁輪轂電機領域具有一定的應用前景。

3.1 電磁減速式永磁電機

在高轉矩密度輪轂電機設計上，可以引入電磁減速思想。電磁減速電機的概念起源于1963年[37]，隨后，基于電磁減速原理的永磁電機不斷涌現[38-41]。為了產生恒定的電磁轉矩，磁齒輪電機等電磁減速電機的高速電樞磁場極對數、低速永磁體磁場極對數和調制塊數應滿足如下關系：

ps=Ns±pr，

(1)

式中：ps為電樞磁場極對數；Ns為磁場調制塊數；pr為永磁體磁場極對數。

在電磁減速式電機中，電磁減速比Gr定義為高速電樞磁場與低速永磁體磁場轉速的比值：

(2)

目前，已有部分高校和公司開展了電磁減速式輪轂電機的研究，取得一系列成果[42-45]。英國Magnomatics公司研發出一款偽直驅永磁輪轂電機，最大輸出扭矩可達到3 000 N·m，用于城市電動巴士[46]。與最初的磁齒輪復合輪轂電機結構相比[15]，該結構將輪轂電機與磁齒輪深度集成，輪轂電機轉子與磁齒輪外轉子合二為一，簡化了機械結構。基于偽直驅電機，將調制塊與定子齒進一步集成，則形成機械結構更為簡單的永磁游標電機，其在電傳動車輛中的實用性進一步增強。表2所示為各研究機構開發的4款電磁減速式輪轂電機。

表2 電磁減速式輪轂電機拓撲結構和性能Tab.2 Topologies and performances of electromagneticgeared in-wheel motors

目前，電磁減速類輪轂電機仍存在一些問題，例如磁場解析復雜[47-48]、功率因數低和永磁體損耗大等問題。為提高轉矩輸出能力，可結合橫向磁場、軸向磁場電機[49-51]，但缺點是結構復雜、機械問題大、加工困難，在電傳動車輛輪轂驅動中的實用性不高。轉子增加磁障也可增大輸出轉矩，但磁橋處漏磁嚴重，機械強度降低[52-53]。其次，低功率因數加劇了車輛電源的體積和成本，研究發現：通過優化調制塊的形狀可調節功率因數，但異形調制塊加工復雜，實用性不高[54-56]；改變繞組拓撲是提高功率因數的另一種思路，但繞組端部長度增大，銅耗增加，定子繞組散熱更困難[57]；采用混合勵磁并增加直流線圈以動態調節氣隙磁場的措施可提升功率因數，但電機運行域效率降低[58-59]。再次，輪轂電機密封性好，轉子散熱困難，因此減小永磁體損耗至關重要，永磁體分塊法是抑制渦流損耗的主要方法，但加工、裝配工藝更復雜[60-62]；轉子增加磁障可削弱特性次諧波，有效降低轉子損耗[63]。

3.2 磁通可調式永磁電機

3.2.1 變匝數、變極繞組切換電機

電傳動車輛輪轂電機既關注低速大扭矩，又強調高速高功率，二者間存在矛盾，無法兼得。通過調整電樞磁場或者永磁體磁場均可達到調節總磁通的目的，電樞磁場的調節可通過變匝數和變極對數的方式實現[64-65]。2015年，美國橡樹嶺國家實驗室提出一種繞組切換電機(見圖14)，通過切換繞組不同的串聯匝數，提高電機在整個工作區間的效率[66]。圖14中，Vdc為直流電壓源，KP1～KP5、Ks1～Ks3為切換電路開關，A1、B1、C1為三相電壓，PCBA、PCBB分別為兩種繞組切換狀態下的PCB電路板.

圖14 美國橡樹嶺國家實驗室變匝數繞組切換電機Fig.14 U.S. ORNL variable-turn winding-switchable motor

3.2.2 記憶電機

調節永磁體產生的磁通可達到增磁或去磁的目的，利用鋁鎳鈷(AlNiCo)、鐵氧體(Ferrite)或特制釤鈷(SmCo)等永磁材料的低矯頑力特性，通過施加脈沖直接改變其磁化狀態來實現氣隙磁通調節，是一種真正意義的可控磁通永磁電機[67-70]。這種直接調磁方法幾乎沒有勵磁損耗，降低了定子調磁銅耗，提升了高速運行效率。日本Nissan公司的車用驅動電機采用了可變磁通結構[71](見圖15)，這是一款6極45槽的扁線電機，它的磁鋼有100%磁化、75%磁化和50%磁化3種磁化狀態，工作轉速超過12 000 r/min，1臺電機相當于3臺特性不一的電機，整體性能提高。

圖15 日本Nissan公司可變磁通永磁電機拓撲及運行特性Fig.15 Topology and operating characteristics of Japan Nissan variable flux permanent magnet motor

但現存記憶電機拓撲結構和控制方法仍存在一些問題：未來需進一步優化拓撲結構，削弱永磁體間的交叉耦合效應，增加低矯頑力永磁的抗去磁能力；提高數值計算精度，以實現低矯頑力永磁體磁化特性的精確計算；研發高效充磁、去磁控制方法，以獲得更寬恒功率轉速范圍運行；降低充磁、去磁帶來的損耗和溫升，以提高電機性能和系統效率。

3.3 容錯式永磁電機

電傳動車輛對于安全性和可靠性的要求非常高，系統內故障必須及時發現、解決，甚至要求系統能夠帶故障容錯運行，因此，容錯式輪轂電機具有重要的研究意義。與傳統三相輪轂電機相比，相數的冗余提高了輪轂電機系統的可靠性[72-75]，可通過容錯控制算法實現故障后無擾動運行[76-80]。多相電機可采用不同的容錯控制策略，主要有兩大類：基于磁動勢不變原則、基于轉矩脈動最小原則，二者各自有不同的控制目標和實施方法[81]。

多模塊化也是輪轂電機實現容錯的重要途徑，英國Protean公司的輪轂電機采用的就是徑向多模塊化的思想[22-23]。輪轂電機也可以采用軸向多模塊化的方案[82]，哈爾濱工業大學研究團隊提出一種整數槽非重疊集中繞組的永磁容錯電機(見圖16，α為模塊錯開角(機械角度))，各相繞組軸向分段、獨立分布，具有電、磁、熱隔離能力強、弱磁能力強、故障相更換方便、容錯性好的優點，可應用于可靠性要求高、故障發生頻繁的場合。

圖16 整數槽非重疊集中繞組永磁容錯電機Fig.16 Integral-slot non-overlapping concentrated winding permanent magnet fault-torlerant motor

目前，容錯式永磁輪轂電機的發展仍有不足。首先，弱磁升速控制對輪轂電機系統至關重要，但針對弱磁區域的容錯控制研究成果較少；其次，容錯控制的研究還大多基于凸極率較低的電機[83-84]，研究考慮磁阻轉矩的容錯控制具有重要意義；再次，短路故障也是電機繞組常見故障之一，但較開路容錯控制研究較少[85-88]，其原因在于首先電機本體要有抑制短路電流的能力，且電機短路故障較開路故障更為復雜，因此，短路容錯控制還需進一步發展。

3.4 多功能永磁電機

采用新結構、新原理實現輪轂電機的功能多樣化，是各國學者一直關注的重要研究方向。哈爾濱工業大學研究團隊提出一種2自由度球形永磁輪轂電機(見圖17)，巧妙運用了特殊極槽配合所帶來的定轉子磁場分布的特異性，將電機的旋轉與偏轉進行了集成化設計，構成了弧面2自由度電機，同時實現電傳動車輛的直行和轉向兩種功能[89-91]。

圖17 2自由度球形永磁輪轂電機Fig.17 Two-degree-of-freedom spherical permanent magnet in-wheel motor

美國固特異公司提出一種球形概念輪胎Eagle-360，車輛可實現360°全方位轉向。與此類似，英國Protean公司也推出一款全新車輪轉向方案Protean 360+，將電機、360°轉向和懸掛裝置集成于一個獨立的單元模塊，360+轉向車輪擁有緊湊的外形和模塊化的特性，頂部有轉向伺服系統、輪內有驅動電機(見圖18)。它借助了內置于車輪中的輪轂電機來提供動力，且通過電機在每個單獨的車輪上增加轉向功能，實現極致的機動性能[92]。

圖18 英國Protean公司360+永磁輪轂驅動單元Fig.18 UK Protean 360+permanent magnet in-wheel drive unit

為了進一步提升電機的轉矩密度，Hunstable等提出一種新型電機設計概念，在單個電機中結合軸向和徑向磁通設計[93]。通過使用插入定子中的離散矩形線圈和徑向、軸向分布的永磁體，用銅量比類似尺寸的電機少30%. 這種設計使得端部繞組長度和銅耗降低，運行效率提升。但是該結構目前僅處于樣機實驗階段，還未在車輛中得到實際應用。圖19所示為新型軸向、徑向磁通混合式永磁電機。

圖19 新型軸向、徑向磁通混合式永磁電機Fig.19 Novel hybid axial and radial flux permanent magnet motor

由此可以看到，增加電機自由度、配置新型轉向機構、提出新型電機結構等均可拓展輪轂電機的功能，以實現輪轂電機系統多功能的集成，這是未來電傳動車輛實現智能化發展的重要技術路線。

4 永磁輪轂電機關鍵技術問題

歸納、總結永磁輪轂電機的發展概況和新型永磁輪轂電機的應用前景，目前，永磁輪轂電機的關鍵技術問題可概括為以下4點：

1)理論完備的設計體系。高轉矩密度、功率密度是電傳動車輛輪轂電機系統不懈追求的目標，基于整車動力需求下，建立輪轂電機的完整理論設計體系具有重要意義。輪轂電機電磁參數、結構參數的選擇均會影響其最終輸出性能，在設計時需系統化地總結、歸納，為未來新型輪轂電機研發提供理論和技術儲備。

2)強勁可靠的冷卻系統。輪轂電機的冷卻系統制約了其極限輸出能力。現階段，輪轂電機冷卻系統受限于系統結構、密封性、耐腐蝕性和冷卻液等因素，冷卻效果并不理想，尤其是在極致環境下冷卻系統的極限設計方面，其關鍵技術仍需進一步突破。此外，冷卻技術的提升與加工工藝密切相關，新工藝、新材料是突破輪轂電機冷卻極限的先決條件。

3)輕質高效的電驅動系統。隨著輪轂電機轉矩密度、功率密度的提高以及電力電子技術的飛速發展，電機本體和控制器正向小型化、輕量化、高效率的方向發展。因此，電機、控制器等關鍵部件一體化集成設計是未來的發展趨勢，但目前輪轂電機系統仍存在結構空間、散熱能力和輸出性能方面的競爭，需要統籌協調、逐級突破。

4)緊湊集成的輪轂單元。對于電傳動車輛來說，應追求輪轂單元的整體輸出性能最優，研發結構緊湊、集成度高的高性能輪轂驅動單元極為關鍵。一方面，輪轂電機受到加工工藝、材料等因素制約，極限輸出性能難以突破，故需探索新原理、新材料、新工藝輪轂電機設計；另一方面，雖然機械減速機構的設計已較為成熟，但有限空間下高可靠性、高精度、高傳動效率的多級機械減速器設計仍與國外有一定差距，研發未來新型電傳動車輛輪轂電機驅動構型迫在眉睫。

5 未來發展方向展望

服務于未來高機動武器平臺和無人地面機動平臺，輪轂電機系統的目標需求可歸納為“五高”、“一多”，即高質量轉矩密度、高Corner功率密度、高輪內集成度、高可靠性、高效率和多功能復合。目前，永磁輪轂電機正向集成化、輕量化、電機模塊化，和新原理、新結構、新材料應用等方向發展，且輪轂電機類型也趨向多樣化，不局限于單一的永磁同步電機。未來進一步的發展方向總結如下：

1)新材料、新工藝輪轂電機系統。材料技術的革故鼎新有望突破未來地面高機動平臺的防護能力與機動性之間的矛盾。新材料的應用給輪轂電機加工工藝帶來革新，需進一步研發高性能磁性材料、輕質高強度結構材料、高導熱材料，在保證車輛動力、安全性能和防護能力的前提下，盡可能降低電機體積和質量，提高電傳動車輛的機動性。新工藝的變革對輪轂電機設計理念的創新起到很大的推動作用，例如通過結合增材制造技術，引領未來新型輪轂電機設計和加工理念。未來電機設計不僅要綜合運用現有電磁理論、原理，更要跨學科、跨專業，才能將輪轂電機性能做到極致。

2)新型復合減速輪轂電機系統。探索發展新原理、新概念的動力技術，以滿足未來地面高機動平臺對動力技術的需求。面向用途和任務的高集成度機電一體化技術是未來高機動通用平臺的發展方向，作為其子系統，探索新型高性能輪轂電機系統的重要性不言而喻。在現有電磁減速電機的基礎上，需要進一步研究多級電磁、機械減速復合輪轂電機系統，探索多級電磁減速和機械減速的配置關系，研究電機內部電磁減速比和外部機械減速比的合理匹配，為實現未來地面高機動平臺的高度集成化和強勁動力性能提供保障。

3)多功能輪轂電機系統。多功能化、智能化是未來無人機動平臺發展的主要特征。若能將輪轂單機模塊化、電磁和機械減速器集成化等設計理念應用于單個輪轂電機單元，同時拓展輪轂電機的單機自由度，以實現車輛的原地轉向、橫向行駛等附加功能，這將使得車輛動力傳動系統結構更加緊湊，有望為未來無人地面機動平臺各模塊的整體布局和規劃提供更大的自由度。