永磁輪轂電機技術發展綜述

關 濤 劉大猛 何永勇

永磁輪轂電機技術發展綜述

關 濤 劉大猛 何永勇

（高端裝備界面科學與技術全國重點實驗室（清華大學機械工程系） 北京 100084）

電傳動技術是車輛實現全電化的重要基礎，電驅動系統是電動車輛的動力核心，而輪轂電驅系統是電驅動系統的終極驅動形式，輪轂電機的性能在輪轂電驅系統中具有決定性作用。首先，該文介紹了輪轂電驅系統的結構形式，對不同磁場類型的輪轂電機的優缺點進行了分析；其次，調研了目前市場主流輪轂電機產品的性能參數，為輪轂電機的研發提供參考目標；然后，針對輪轂電機高功率/轉矩密度、寬轉速運行范圍、高運行效率和高可靠性等需求，分別調研了徑向磁場、軸向磁場和橫向磁場等不同類型的永磁輪轂電機的研究現狀；最后，展望了不同磁場類型的永磁輪轂電機的發展方向。

動力系統 電動汽車 輪轂電機系統 輪轂電機

0 引言

隨著人們對環保越來越重視，新能源汽車的發展和興起成為了必然趨勢。根據能源供給形式，新能源汽車主要分為以下五大類：燃料電池電動汽車、混合動力汽車、氫能源汽車、純電電動汽車和其他新能源汽車，例如，超級電容器、飛輪儲能等高效儲能汽車等。

在各種類型新能源汽車中，純電電動汽車以其安全、可靠、結構簡單和無污染的綜合優勢成為主要發展的新能源汽車。相對于傳統的燃油車，電動汽車具有機動性好、空間大、能源利用率高、總體布置和集成簡單等優點[1-4]。純電的電動汽車相當于分布式的蓄電池，有利于電網調峰[5]。

電動汽車的動力系統的布置形式主要有三種：集中、輪邊和輪轂驅動形式[6]。集中驅動電動汽車，在傳統內燃機汽車的基礎上，利用電驅系統取代燃油車中的內燃機，安裝工藝成熟，運行時可靠性高，其缺點是底盤結構復雜程度高，車內的有效使用空間有限，傳動效率低。輪邊驅動，是從集中驅動到輪轂驅動的中間過渡過程，其相對于集中驅動，集成度略有提高、傳動效率提高、整車質量減小、布置更合理。輪轂電機驅動技術是先進的電動汽車驅動技術[7]，將電機、減速器和制動器集成，安裝到輪輞內，使得車輪本身就是一個動力單元，簡化了車輛的傳動結構，便于在車內安裝更多的電池組，且增加車輛內部空間。分布式驅動整車市場，主要有日本豐田的e-RACER和SLM-DRIVE、德國奔馳E系列和寶馬x6、美國福特的F150和嘉年華、中國的比亞迪K9和奇瑞瑞麟。

輪轂電機驅動系統的優點是大幅度提高整車利用率，降低動力系統損耗，實現根據地形對各個車輪分配轉矩及將更多的新能源技術進行應用。由于輪轂電機驅動系統也存在著一些問題，包括簧下質量大、影響整車操控；輪轂電機系統需要電動真空泵來提供剎車助力，制動系統工作時電動真空泵需要保持工作狀態，持續的對電池的電能進行消耗；輪轂電機系統具有較高的功率密度，同時其損耗功率相對較高，工作空間有限不利于系統散熱；輪轂電機系統工作系統環境復雜多變，為了提高可靠性，對系統密封有較高的要求。2020年，工業和信息化部以及汽車工程學會針對提高輪轂電機系統轉矩/功率密度的計劃，發布了《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，該路線圖中計劃2025年輪轂電機峰值轉矩密度達到20 N·m/kg或功率密度要達到5 kW/kg，2030年輪轂電機峰值轉矩密度達到24 N·m/kg或功率密度要達到6 kW/kg，2035年輪轂電機峰值轉矩密度達到30 N·m/kg或功率密度要達到7 kW/kg。因此，高轉矩和高功率密度輪轂電機技術的突破和創新是發展輪轂電機必須解決的問題。

輪轂電機系統是一個具有高集成度的系統，主要包括驅動、制動和承載等幾部分，其對驅動電機的主要要求是軸向尺寸短、功率/轉矩密度高、調速范圍寬、高可靠性、高過載能力、高效率。根據電機的工作原理，其結構主要有四種，分別為永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM）、直流電機、異步電機和開關磁阻，表1為應用在電動汽車領域中不同種類電機的優缺點。根據輪轂電機的要求，四種電機結構中永磁電機成為輪轂電機的主流技術，在未來必然獲得更大的發展。

表1 不同種類的輪轂電機比較

Tab.1 Comparison of different types of hub motors

本文首先對輪轂驅動電機驅動系統的集成方式以及輪轂電機的發展現狀進行分析；然后基于輪轂電機高功率密度、高效率、寬調速范圍和高可靠性的特點，調研了新工藝、新材料永磁電機和不同拓撲結構永磁電機的研究現狀；最后展望了輪轂電機的發展趨勢與前景。

1 輪轂電機驅動系統結構形式

根據驅動方式的不同，輪轂電機系統可分為減速驅動型和直驅型兩種結構形式，如圖1所示[8]，兩種驅動方式的優缺點比較見表2。電機的體積與電機的轉矩有關，在電機常數相同的情況下，電機轉矩越大體積越大，反之電機體積越小。減速驅動型輪轂電機系統，通過在電機與車輪之間安裝減速器，在電機功率不變的前提下，提升電機轉速降低電機的體積，提高電機的功率密度，目前該種驅動方式電機轉速可以高達10 000 r/min。為了降低電機轉子線速度，一般選擇內轉子式輪轂電機。直驅式輪轂電機系統，將電機與車輪直接相連，輪轂電機最高轉速為1 000～1 500 r/min，省略了減速器，提高了系統的效率，但是較低的運行轉速增加了起動電流，容易引起電機過熱，降低電機可靠性，且車輪尺寸限制了輪轂電機系統的輸出轉矩，為了在有限的體積下提高電機轉矩，輪轂電機的結構一般采用外轉子式電動機。隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現，相對于直驅型輪轂電機系統，減速驅動型輪轂電機系統更具競爭力。隨著電機轉速的不斷提高，高速電機應用于減速驅動型輪轂電機系統成為了一個研究熱點。

（a）減速驅動 （b）直接驅動

圖1 輪轂電機驅動形式示意圖

Fig.1 Schematic diagram of driving form of in-wheel motor

表2 輪轂電機驅動形式比較

Tab.2 Comparison of driving forms of in-wheel motor

永磁電機根據磁場的方向主要分為三類：徑向磁場永磁電機、軸向磁場永磁電機和橫向磁場永磁電機，結構如圖2所示。文獻[9]對不同磁場方向的電機拓撲結構進行了對比分析，見表3，雖然軸向磁通電機和橫向磁通電機在功率密度、轉矩密度和軸向長度上有優勢，但是徑向磁通電機工藝程度、設計方法和成本等其他方面優勢明顯，仍是輪轂電機主要采用的電機類型。

（a）徑向磁通電機

（b）軸向磁通電機 （c）橫向磁通單機

圖2 輪轂電機結構形式

Fig.2 Structure form of in-wheel motor

NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能是車用輪轂電機一個重要性能參數。目前，形成產品的電機主要是徑向磁通電機和軸向磁通電機，橫向磁通電機主要處于研發階段。文獻[10]主要對徑向磁通電機和軸向磁通電機的性能進行了對比，相較于徑向磁場電機，軸向磁場電機具有更低的反電動勢總諧波畸變率，運行時有更低的紋波轉矩，但是其齒槽轉矩較高。紋波轉矩和齒槽轉矩構成了永磁電機的轉矩脈動，因此，在進行轉矩脈動優化設計時需針對不同電機類型對重點優化目標進行選擇以及優化權重的配置。

表3 不同磁場類型的永磁電機對比

2 輪轂電機國內外研究現狀

美國和德國最早針對輪轂電機展開研究[11-12]，進入21世紀，輪轂電機的研發工作在全球興起。目前，國外技術比較先進的輪轂電機研制企業主要集中在歐洲，例如，舍弗勒（Schaeffler）、Protean、Elaphe、NTN、TM4和米其林等，表4所示為現階段國外輪轂電機產品關鍵指標比較。

表4 國外輪轂電機產品關鍵指標比較

Tab.4 Comparison of key indexes of foreign in-wheel motor products

Protean輪轂電機均為外轉子直驅方案。Protean公司研發的第四代輪轂電機，型號為Pd18，適用于18 in輪輞，其峰值功率和峰值轉矩分別可以達到80 kW和1 250 N·m，該電機的質量為36 kg，峰值轉速為1 600 r/min，其轉矩密度可以達到34.7 N·m/kg，功率密度高達2.22 kW/kg，并且驅動效率和制動效率最高可分別達到93%以上和91%以上[13]。

法國TM4公司設計的輪轂電機采用外轉子結構，其將電機的轉子、輪輞和和制動器進行了一體化設計，大幅度提高了輪轂電機的集成度，有效地降低了輪轂電機的總體質量。該輪轂電機的額定功率和峰值功率分別為18.5 kW和80 kW，額定轉速為950 r/min，峰值轉速高達1 385 r/min，額定工況下的平均效率可達96.3%[14]。

Elaphe作為輪轂電機生產廠家，其有很多種產品，主要包括S400，應用于輕型電動和和混合動力汽車，峰值轉矩為400 N·m，峰值轉速為1 560 r/min，峰值功率為40 kW；M700，主要應用于15/16 in輪轂內，其峰值轉矩為700 N·m，峰值轉速為1 500 r/min，峰值功率為75 kW；M1100，主要應用于重型車輛，其峰值轉矩為1 100 N·m，峰值轉速為1 160 r/min，峰值功率為90 kW；LEV，其峰值轉矩為225 N·m，峰值轉速為1 200 r/min，峰值功率為20 kW；COSIVUV，其峰值轉矩為1 000 N·m，峰值轉速為1 250 r/min，峰值功率為75 kW[15]。

舍弗勒公司重點研發的輪轂電機類型為減速驅動型結構，具有集成度高的特點，其研發的第四代產品主要針對A0級小型汽車，最小可以應用于14 in的輪輞。該公司研發的某款輪轂電機的峰值轉矩為700 N·m，峰值功率為40 kW，額定功率為33 kW[16]。

近些年，通過承載結構及整體優化、電磁優化設計及工藝優化，我國的輪轂電機產業不斷發展，國內輪轂電機產品關鍵指標比較見表5。

表5 國內輪轂電機產品關鍵指標比較

Tab.5 Comparison of key indexes of domestic in-wheel motor products

3 新型徑向磁通電機研究現狀

隨著電機領域新原理、新材料和電機加工工藝的不斷發展，越來越多的新型電機拓撲結構和新工藝被提出和應用，有利于突破傳統輪轂電機的部分瓶頸問題。

3.1 傳統三相永磁同步電機

3.1.1 新工藝

輪轂電機高度集成在具備諸多優點的同時帶來電機運行空間小和空氣流動困難的問題，致使電機散熱條件差[17-19]，使得電機運行可靠性受到一定影響[20]。輪轂電機的散熱系統限制了電機極限輸出性能，主要的解決方法有兩個，分別為提高冷卻系統的散熱效率和提高電機內部各個零部件之間的熱傳導效率。

河南科技大學周志剛等針對外轉子永磁輪轂電機設計了一個具有不同冷卻源切換功能的冷卻結構。該冷卻結構根據電機的內部溫度變化，依據不同冷卻液的特性自動切換冷卻液供給，包括水冷、油冷、混合冷，使得電機達到較好的冷卻效果[21]。為了給電機冷卻系統采用冷卻液形式提供參考依據，該團體分析了冷卻方式對內、外轉子輪轂電機的冷卻效果，同時分析了不同濃度的乙二醇水溶液對兩種結構輪轂電機散熱的影響[22]。

上海電驅動股份有限公司聯合上海大學研制出第三代直驅式輪轂電機，其轉矩密度和功率密度分別達到了21.3 N·m/kg和2.2 kW/kg，與Protean公司產品的總成功率密度達到同一水平。研制中采用四項關鍵技術，其中包括：拼塊鐵心技術，拼接方案如圖3所示，降低車本，提高電機散熱能力；低熱阻絕緣結構，增加了定子槽內的銅滿率，增加了絕緣骨架與鐵心之間的貼合度；繞組排布設計，提高槽滿率，降低電機的電阻和槽內熱阻；一體化灌封工藝，采用高導熱灌封材料，提高定子繞組與機殼之間的傳熱效率，增加剛度，降噪，且提高耐候性。這些關鍵技術旨在提高電機的散熱能力[23]。

圖3 常見幾種拼塊方式

輪轂電機對轉矩密度和過載能力方面的性能要求很高，且輪轂電機的工作環境惡劣，電機繞組作為電機運行時溫度最高的零部件，其工藝要求非常高。目前，比較先進的繞組工藝是扁線工藝，相比圓線電機具有高效區面積變大、功率密度提高、NVH下降、電機繞組端部變短的特點。扁線電機最早發布于美國，其扁線技術和工藝不斷改進，扁線電機結構如圖4所示。2017年，GM公司發布了最新一代的扁線電機BEV-Chevrolet Blot。該電機相比于之前的版本轉速提升近2倍，電機功率密度得到提高，并且采用增加導體根數的方法抑制電機高速運行時交流電阻上升問題，每槽導體數從之前的4根增加到了6根[24-25]。Blot電機槽內線與線之間的絕緣被取消，增加了槽內的銅滿率，提高電機線負荷，進而提高電機功率密度。豐田Prius的扁線電機技術是日本電裝Denso為其提供的。Prius2017電機繞組采用扁線結構，每槽內放置的導體數達到8根，繞組端部為“階梯形”結構。天津松正純電動系統的390/290系列發卡電機采用發卡式繞組工藝，產品技術成熟，體積小、質量輕，達到或接近國家2025技術指標。

圖4 Bolt扁線電機結構

3.1.2 新材料

相比于新工藝，新材料在電機設計中的應用能更有效地提高電機散熱能力、功率密度和效率。

氧化鋁@石墨烯/環氧樹脂復合材料不僅具有絕緣性能，同時具有相對較高的導熱性功能，將該材料應用到輪轂電機中作為絕緣材料，電機的導熱性能將得到大幅度提升，有效降低電機定子鐵心的溫度[26]。

目前，針對重型車輛應用的輪轂電機產品，技術路線均采用輪轂電機加減速器的方案，提高電動輪整體的轉矩密度。為了提高輪轂電機的功率密度，電機的轉速越來越高，導致電機頻率越來越高。非晶合金材料以其在高頻下低損耗的特性，在一些領域逐漸被廣泛應用，成為一種新型的綠色材料[27]，該材料目前仍處于研究階段。北京交通大學的朱健等[28]采用傳統硅鋼片材料和非晶合金材料研制了一臺18 kW永磁同步電機。經過實驗對比，在高速運行時非晶合金電機的運行效率高于傳統的硅鋼片電機，但在低速運行情況優勢較小，主要是因為其非晶合金導磁性能弱于硅鋼片。

3.2 永磁記憶輪轂電機

輪轂電機既需要低速大轉矩，又需要高速高功率，這兩個指標相互矛盾，很難同時滿足。永磁記憶電機利用高剩磁低矯頑力永磁材料的不可逆退磁的特性，通過調節d軸電流脈沖控制永磁的剩磁，實現在線對永磁體進行調磁。輪轂電機在全速域內，根據不同轉速對永磁體實施不同程度的磁化，從而整體提高電機運行性能。

目前，現存的記憶電機作為輪轂電機使用仍存在一些問題：轉矩密度很難達到釹鐵硼稀土永磁電機的水平；輪轂電機要求具有較高的過載能力，如果磁路設計不合理時容易出現退磁的風險；在線調磁控制，引入了勵磁損耗，增加了電機的溫升，且降低了系統效率。

記憶電機大體可以分為兩類：交流脈沖調磁型永磁電機，電機定子繞組同時兼具驅動和控制兩種功能，基于矢量控制方式調節永磁體剩磁；直流脈沖調磁型永磁電機，電機有兩套繞組分別為驅動繞組和調磁繞組，其通過調節勵磁電流的大小和方向對永磁體的磁場進行調節，目前研究主要集中在雙凸極電機上[29]。

交流脈沖調磁型記憶電機主要有單一永磁型和混合永磁型電機兩種。加拿大康考迪亞大學M. Ibrahim等[30]提出了一種新型的含鋁鎳鈷磁體的變磁通電機，該電機轉子結構以具有聚磁功能的切向充磁永磁電機為基礎，通過在轉子上采用沿d軸方向加入磁障降低q軸電流引起的鐵心磁場飽和提高控制電樞d軸電流脈沖調節永磁體剩磁的能力的技術手段，并結合具有高剩磁低矯頑力的永磁體，使其具有與稀土永磁同步電機相當的轉矩密度和在較寬的速度范圍內都具有較高的運行效率。

英國謝菲爾德大學諸自強等[31]提出了一種新型的永磁記憶電機，該電機轉子磁路由釤鈷永磁體和釹鐵硼永磁體串聯而成，其轉矩密度可以達到80 kN·m/m3。圖5所示為該電機的結構示意圖，電機轉子磁路采用高矯頑力的釹鐵硼和低矯頑力的釤鈷永磁體交替排布的方式。該電機利用磁阻轉矩獲得高的轉矩密度，同時利用永磁體的退磁特性，并結合定子d軸電流對電機磁場進行調節，使得電機在不同的工作點都可以獲得較高的效率。

直流脈沖調磁型記憶電機主要的研究方向是雙凸極記憶電機，該電機根據勵磁方式也可以分為單一永磁型和混合永磁型電機。香港大學的鄒國棠團隊基于記憶電機和雙凸極電機的原理提出了單一勵磁型雙凸極記憶電機（Permanent Magnet Doubly Salien Mnemonic Machine，PM DSMM），結構如圖6所示。電機轉子拓撲結構為實心凸極外轉子，適合實現高速運行且容易與減速器集成設計。電機定子電樞采用五相繞組分數槽結構，降低電機的齒槽轉矩，削弱反電動勢中的高次諧波，提高電機容錯性能。電機采用單獨的勵磁繞組，同時永磁體在定子上，提高了電機的調磁效率，并且降低了電機控制的復雜程度，減少了調磁時的功率損耗。該團隊研制了一款樣機，電機主要參數見表6，電機弱磁倍數可以達到4，大幅提高了永磁電機的弱磁能力[32]。

圖5 徑向串聯混合永磁電機

圖6 單一勵磁型雙凸極記憶電機

表6 電機主要參數

Tab.6 Key design data of motor

文獻[33]提出了一種基于NdFeB和AlNiCo的混合勵磁雙凸極記憶電機，結構如圖7所示，由NdFeB提供主要氣隙磁通量，AlNiCo負責輔助調磁的作用。研制了一臺樣機，額定功率1.2 kW，轉速運行范圍0～4 000 r/min，當處于起動階段繞組電流不變的情況下，通過給AlNiCo增磁，輸出轉矩提升了50%。

圖7 混合勵磁型雙凸極記憶電機

3.3 永磁游標輪轂電機

為了進一步提高直驅型輪轂電機的轉矩密度，引入了磁場調制技術的概念，磁場調制技術起源于磁性齒輪[34-37]。永磁游標電機就是基于磁場調制原理研制的，結構如圖8所示。永磁游標電機的等效極對數多，提高了電機轉矩密度，并且具有更低的轉矩脈動。但是作為輪轂電機使用時仍有一定的問題待解決，例如磁場復雜加劇了鐵心損耗和永磁體渦流損耗，功率因數低使得供電電源的成本增加，永磁體能耗大，電機屬于永磁電機，存在調速范圍受限的問題。

圖8 永磁游標電機結構

浙江大學俞東將分裂齒永磁游標電機與外轉子結構相結合，不僅提高了電機轉矩密度，而且相比于單齒的游標電機，減小了繞組電阻，提高了電機效率，在輪轂電機驅動中具有較好的應用前景。同時，其將采用內置V型永磁體轉子，并將電機定轉子不等長（overhang）的結構引入電機結構中，轉矩比定轉子等長結構高了26.4%，轉矩與電機有效部分體積之比達到了21.6 N·m/L[38]。

江蘇大學研制了一臺功率2.6 kW，額定轉速316 r/min的游標電機。該電機采用外轉子結構，磁路采用內置V型轉子，并且轉子在定子側表面采用與永磁體數量相等的虛擬槽，該結構通過降低永磁體極間的漏磁，提高電機氣隙磁場強度及電機的轉矩輸出能力，并且通過采用合適的極槽配合，利用磁場諧波進一步提高電機轉矩和效率[39]。

江蘇大學劉新波提出了混合勵磁游標輪轂電機，結構如圖9所示[40]。該電機繼承了常規外轉子游標電機的低速大轉矩的特性，功能性繞組可以實現對氣隙磁場進行調節，提高了電機轉速運行范圍，電機具備兩套繞組，提高了電機運行的可靠性，電機電樞繞采用集中繞組，提高了電機槽內銅滿率，降低了繞組端部長度，進而提高了電機效率。

3.4 輕稀土和無稀土永磁電機

每臺輪轂電機驅動的車輛中需要多臺輪轂電機，相比于集中驅動型車輛在成本方面處于劣勢。為了降低輪轂電機成本和對稀土這種國家戰略物資的消耗，通過降低永磁體中稀土的含量，實現永磁電機輕稀土化甚至無稀土化[41]。但相比于傳統的稀土永磁電機，該類電機作為輪轂電機有幾點不足，磁體中較低的剩磁和較低的矯頑力，使得電機的轉矩密度和可靠性低于稀土永磁電機，增加了設計難度和轉子結構復雜性。

目前，在減少稀土用量方面主要有以下三種技術方案，分別為減少稀土用量、采用低成本稀土、無稀土永磁電機。

少稀土永磁電機是通過采用鐵氧體替代部分稀土永磁材料，進而降低稀土永磁材料用量，或者增加磁阻轉矩在轉矩貢獻中的占比減少稀土永磁體用量[42]。江蘇大學汪雪將混合永磁材料與具有聚磁效應的輪輻式轉子相結合，研制了一臺功率為5 kW少稀土永磁無刷電機，如圖10所示，電機可以進行2～3倍過載，滿足電動汽車頻繁起停的車況要求。電機永磁體采用釹鐵硼和鐵氧體結合，一方面減少了釹鐵硼永磁體的用量，且控制了成本；另一方面，兩種永磁體并聯，較單獨使用鐵氧體時不僅提高了電機轉矩，同時提高了電機的抗退磁能力[43]。

圖10 少稀土輪輻式永磁無刷電機

根據磁障轉子的高凸極比的特性，日本東北大學的S. Ishii等[44]提出了組合勵磁外轉子永磁電機。電機轉子采用外轉子結構，如圖11所示，靠近定子側為稀土永磁體，遠離定子的永磁體為鐵氧體。該電機相比于普通外轉子V字型稀土永磁電機稀土用量減少50%，降低了成本，同時轉矩提升了1.21倍，其轉矩提升主要是增加了電機的凸極比。

圖11 磁障式外轉子少稀土永磁電機

基于一字型內置永磁同步電機，A. Yamada等[45]提出了兩種新結構少稀土永磁電機，如圖12所示。模型1的輸出轉矩可以達到普通型永磁電機轉矩的91.6%，且其稀土材料用量減少了超過50%。模型2輸出轉矩可達到96.3%普通永磁電機額定轉矩，極限轉速可以超過9 000 r/min。

（a）模型1

（b）模型2

圖12 多向充磁少稀土永磁電機

Fig.12 Multi-directional magnetization less rare earth permanent magnet motor

輕稀土永磁電機的另一種技術是采用低成本的稀土材料，減少貴重稀土元素的消耗，最常用的是無Dy釹鐵硼技術，該種材料由于不含Dy元素，導致永磁體的剩磁或矯頑力其中一項參數很低。永磁電機可以通過采用spoke等聚磁結構，達到與常規永磁電機相當的性能[46]。

比輕稀土更近一步的是無稀土，主要技術方向有兩個，分別為：將非稀土元素完全取代稀土元素，鐵氧體作為助磁的同步磁阻電機，電機電磁轉矩主要由磁阻轉矩貢獻；開關磁阻電機，完全不需要磁體。針對鐵氧體助磁的同步磁阻電機，提升永磁電機輸出轉矩有兩種方案，分別是提升電機的磁阻轉矩和永磁轉矩。

為了提高無稀土永磁電機的永磁轉矩，W. Kakihara等[47]采用具有聚磁功能的spoke型轉子結構和提高電機鐵氧體用量的方案。由于鐵氧體的矯頑力較低，該電機設計時需要提高電機抗退磁能力。為了提高電機的抗退磁能力，主要采取了以下幾種方法：通過增加電機旁路漏磁減少穿過永磁體的退磁磁通；通過降低d軸磁導，提高電機的凸極比，提高電機轉矩輸出能力；采用分布繞組，降低電機d軸電感；采用定轉子鐵心不等長結構，同時永磁體凸出轉子鐵心的結構，在提高電機轉矩的同時，提高了磁體外邊緣的抗退磁能力，永磁體的退磁率為0.34%，低于目標0.5%，且最大轉矩超過目標值。

以2003豐田普銳斯電機指標為設計目標，日本大阪府立大學S. Morimoto等[48]提出了一種新型的永磁同步磁阻電機，電機轉子結構如圖13所示。電機的磁路結構基于磁障式磁阻轉子，在磁障中添加鐵氧體進行助磁，提高了電機電磁轉矩。該電機轉子具有較高的機械強度，可以承受較高的轉速。在抗退磁方面，通過電機磁橋和旁路為弱磁磁場提供磁通路徑，提高電機的抗退磁能力。

圖13 永磁輔助同步磁阻電機轉子結構

無稀土永磁電機在提高磁阻轉矩和永磁轉矩時，增加了電機凸極比以及永磁體用量，降低d軸電感，進而降低了電機的弱磁擴速能力，使得電機調速范圍變窄。為了克服非稀土永磁電機調速范圍窄的問題，S. I. Kim等[49]提出了一種分列式輪輻狀鐵氧體電機，轉子基于傳統的輪輻結構，將一塊永磁體分成不等寬的兩部分，如圖14所示，在保證鐵氧體用量不變的情況下，增加了電機d軸電感強度，拓寬了電機的轉速運行范圍。

圖14 分列式spoke轉子結構

3.5 定子勵磁型永磁電機

定子勵磁型永磁電機將轉子永磁體移到定子側，解決了常規輪轂電機永磁體冷卻困難的問題，同時，電機轉子為普通的凸極轉子，該類轉子結構機械強度高適合高速運行。定子勵磁型永磁電機是基于開關磁通電機的工作原理提出的，導致繞組中存在較高的電流諧波，使得電機損耗增加，效率降低，以及電機具有較大的轉矩脈動，使得車內人員舒適度下降。

目前，國際上對這類電機的研究處于初步理論和樣機制作階段。國內仍處于初期階段，且主要成果集中在參數計算和建模分析階段，實際應用不多。根據電機的結構形式，定子勵磁型永磁電機可分為磁通切換電機、定子永磁型混合勵磁雙凸極電機和磁通反向電機。

磁通切換電機，在1997年由法國學者E. Hoang等[50]提出，其拓撲結構如圖15a所示，電機結構簡單、易于控制。但是，在相同定子內徑的條件下，電機的繞組和永磁體用量相互制約，限制了進一步提高電機功率密度，并且由于定子鐵心的飽和程度較高，影響電機運行性能。為了解決磁通切換電機中繞組與永磁體用量相互限制的問題，Z. Q. Zhu 等[51]于2014年提出了定子分區結構磁通切換電機，電機結合了雙定子電機和磁通切換電機的優點，將磁通切換電機中的永磁放到內定子上，充分利用了電機內部的空間，解決了永磁體與繞組的限制，如圖15b所示。

（a）磁通切換電機

（b）定子分區電機

圖15 定子勵磁型永磁電機

Fig.15 Stator excitation type PM machine

定子永磁型混合勵磁雙凸極電機，其定轉子呈現雙凸極結構，其中轉子為普通的凸極磁阻轉子，定子軛部嵌入徑向充磁的永磁體，定子繞組采用集中繞組，且包含兩套繞組分別為電樞繞組和電勵磁繞組，其中與永磁體相鄰的槽中放入用于對氣隙磁場進行調節的電勵磁繞組，提高了電機轉速運行范圍，且在轉速區域內具有較高的運行效率[52]。

磁通反向電機結合了磁阻電機與永磁電機的優點，是一種新型雙凸極永磁電機，電機定子鐵心齒表面安裝一對磁性相反的永磁體，轉子采用普通的凸極磁阻轉子，該電機具有適用于高轉速、結構簡單、機械強度高、轉動慣量小、加工簡單、功率密度高、電機時間常數小和便于換向[53]等優點。

3.6 永磁容錯電機

輪轂電機作為驅動的電動汽車，通過分布式控制算法，將動力分配到各個輪驅動車輛前進。因此，輪轂電機作為電動汽車的動力輸出，相比集中驅動的電機其需要更高的可靠性。永磁容錯電機同時具備永磁電機的高功率密度和高的容錯性，非常適合作為輪轂電機，值得深入研究。目前，永磁容錯電機研究方向有兩個思想，一種基于冗余設計的思想，另一種基于多自由度的設計思想。

基于冗余設計的思想的永磁容錯電機是通過采用多單元電機的方案實現的。每個電機有多個子電機構成，其中每個子電機可以獨立運行，相互之間沒有電和磁的聯系，提高了電機系統運行的可靠性。英國紐卡斯爾大學的C. J. Ifedi等聯合Protean Electric公司[54]研制了一款多單元容錯永磁輪轂電機，該電機是由8個獨立運行子電機組成，在故障運行時相比于傳統電機轉矩擾動高出安全允許值的40%，該電機的擾動轉矩小于允許值的20%。

基于多自由度的設計思想的永磁容錯電機是通過采用多相以及容錯繞組的方案實現的，利用相數的冗余度和容錯繞組的電磁熱隔離能力提高電機系統的可靠性。當電機發生故障時，在控制上可以通過容錯控制算法維持電機轉矩輸出能力和運行性能。該類型的電機中五相電機具有較高的容錯性能。針對五相容錯永磁電機的關鍵技術，哈爾濱工業大學的隋義[55]進行了研究。在繞組方面，提出了單雙層混合式分數槽繞組，每相繞組采用雙層結構，相與相相鄰的槽采用單層繞組結構，電機定子實現模塊化結構設計，同時也降低相反電動勢諧波，并且實現了不同相繞組之間的電、磁、熱及物理隔離。在開路故障方面，對繞組開路故障容錯控制技術進行了研究，對重構圓形磁場和最大轉矩銅損比兩種容錯控制策略進行了分析。在短路故障方面，對短路故障分析和檢測方法進行了研究，建立了短路故障分析模型，提出了短路故障抑制方法，為短路故障處理提供了理論基礎。研制出了一臺五相容錯永磁電機，其峰值功率為24 kW，峰值轉矩為300 N·m，峰值轉速為1 200 r/min，結構為外轉子結構，轉子磁路采用表貼式結構，并且實現了對電機的容錯運行控制。

對于容錯電機，除了電機本身最重要的是故障發生后的檢測和控制。容錯電機的控制策略研究主要集中在開路故障[56-57]，然而，針對電機最嚴重的短路故障的研究有限，包括單相對地短路、相間短 路[58]、匝間短路和端部短路等，難以通過實驗進行驗證，因此，針對短路故障還需要進一步進行研究。

4 軸向磁通永磁電機研究現狀

對于輪轂驅動系統，其內部空間有限，使得輪轂電機需要同時具有高功率密度、結構緊湊、軸向尺寸短的特點。相比于徑向電機，軸向電機以其結構扁平超薄、更高的轉矩密度、較好的散熱能力等特點，近幾年成為許多企業和大學團隊研究的熱點，表7為現階段國內外軸向電機產品關鍵指標比較。

表7 軸向電機主要參數

Tab.7 Key design data of motor

根據定轉子數量，軸向電機可分為單定子單轉子結構、雙定子單轉子結構、單定子雙轉子結構和多盤式結構。目前，電驅動行業集中采用雙定子單轉子和單定子雙轉子兩種結構拓撲[59]。根據輪轂電機的特點，軸向磁通電機的研究應該主要圍繞高功率密度、高效率、寬調速范圍和可靠性方面開展。

4.1 高效率高功率密度

提高軸向磁通電機的功率密度和效率，主要基于降低電機損耗和質量、增加電機極對數、提高電機轉速和提高電機散熱效率。

雙定子單轉子盤式電機（Axial-Flux Inner Rotor, AFIR）結構如圖16所示，磁場經過永磁體和兩個定子鐵心實現閉合。雙定子有效提高了電機的電負荷，提升了電機的功率密度[60-61]。

單定子雙轉子結構盤式電機（TORUS結構），其定子在中間，轉子在兩側，定子繞組分別與兩側永磁體作用產生轉矩。根據兩個轉子N和S級相對位置，TORUS常見的排列方式是NS和NN型式。NS結構盤式電機，由于其磁場特性，可以采用無軛結構。無軛盤式電機（Yokeless and Segmented Armature, YASA）取消了定子軛，提高了繞組槽滿率，并且降低了電機鐵耗、定子鐵心質量、繞組端部尺寸，增加了電機的轉矩密度的同時提高了電機的運行效率，結構如圖17所示[62]。天津大學的王曉遠團隊提出了一種新型并聯磁路軸向磁通永磁電機，該電機定子與YASA結構相同，其轉子結構如圖18所示[63]。內置式結構為電機增加了磁阻轉矩，聚磁和Halbach并聯結構提高了電機氣隙磁密正弦度，相比于同等條件下的YASA電機，該電機轉矩密度增加了9%，永磁體用量降低了38%，轉子損耗降低。

圖16 AFIR磁路結構

圖17 YASA電機結構

（a）左側轉子

（b）右側轉子

圖18 并聯磁路軸向磁通永磁電機轉子結構

Fig.18 Structure of parallel magnetic circuit yokeless and segmented armature motor

為了提高電機的運行效率，將應用于聚焦粒子加速器的Halbach磁化概念引入電機設計中。軸向磁通電機中引入Halbach陣列永磁體結構后，電機可以取消轉子鐵心結構，降低了電機的鐵心損耗和轉子的轉動慣量[64-65]。

軸向磁通永磁游標輪轂電機，軸向磁通電機結合了游標電機等效極數高的特點，電機轉矩密度得到進一步提高[66]。

定子永磁型電機無論是徑向電機還是軸向電機，其在功率/轉矩密度的可靠性方面具有一定的優勢。但是該種電機在帶來高功率密度的同時引入了較大的轉矩脈動。東南大學Hao Li等提出一種雙轉子軸向磁通切換電機，電機原理如圖19所示，分析了電機的磁極寬度和定子槽口高對電機反電動勢正弦度和齒槽轉矩大小的影響因素，經過優化后，轉矩脈動降低了80%[67]。

圖19 雙轉子軸向磁通切換電機運行原理

4.2 寬調速范圍

AFPM與徑向電機都是通過永磁體勵磁，電機的磁場不宜調節，為改善電機弱磁擴速能力，提高電機轉速范圍，國內外許多學者除了在控制上采用弱磁技術提高電機轉速范圍，在電機本體結構方面主要針對兩種軸向磁通電機展開研究，分別為軸向磁通永磁記憶電機[68]和混合勵磁軸向磁通切換電機[69-71]。

國立臺灣大學Y. P. Yang等[72]研制了一款雙定子單轉子結構的盤式輪轂永磁電機，該電機的母線電壓為300 V，最高轉速可達1 184 r/min，峰值轉矩為274 N·m。電機采用分數槽集中繞組，有效提高了電機轉矩密度，降低了電機轉矩脈動。在繞組控制上采用串并聯切換的方式，當電機需要低速大轉矩驅動時，電機每相繞組的各個支路采用串聯的方式，提高電機反電動勢，在電流不變的條件下提高電機的電磁轉矩，當電機高速運行時，將繞組支路進行并聯，降低繞組反電動勢，提高電機弱磁擴速能力。

4.3 高可靠性

輪轂電機作為電動汽車的動力核心，其可靠性直接影響電動汽車的駕駛安全。文獻[73]中提出了新型雙定子結構六相軸向磁通永磁電機，電機繞組分成兩組三相繞組，分別安裝在兩個單獨的定子中，并且空間相差30°，繞組采用分數槽集中繞組，兩個三相繞組之間互感較低，每個三相繞組實現物理隔離，相比于傳統的六相電機提高了電機可靠性，并且在正常和容錯運行的條件下輸出相同轉矩時，電機的渦流損耗分別降低了25%和70%。

文獻[74]提出了一種新型的雙轉子軸向開關磁通永磁電機，該電機定子繞組結構為每相的繞組集中放置，永磁體采用具有聚磁功能的spoke結構，如圖20所示，轉子采用兩個轉子未對準的結構形式。改善了軸向電機的容錯能力，且降低了電機的轉矩脈動。

圖20 定子結構與繞組分布

5 橫向磁通永磁電機研究現狀

德國H. Weh等[75]提出并研制了橫向磁通電機，該電機在磁路結構上解除了電磁負荷之間的耦合關系，同時在空間上也解除了對電機尺寸上的限制，其轉矩密度達到傳統電機2～5倍。因此，橫向電機高的轉矩密度非常適合應用于直驅型輪轂電機系統中，且得到了許多學者進一步的關注。

西北工業大學蘇士斌提出了一種定子雙六相盤式橫向磁通電機[76]，定轉單元結構如圖21所示，電機結構單元基于雙定子單轉子盤式構型，電機由兩個單元構成，每個盤上有三相繞組，兩個單元組成雙六相電機，其中定子采用E型結構，為了增加氣隙磁通，在定子齒之間增加了導磁條。可以看出，該電機充分利用了輪轂內部的空間，適合應用于輪轂電機。

（a）定子單元結構 （b）轉子單元結構

圖21 雙六相盤式橫向磁通電機

Fig.21 Double six-phase transverse flux permanent- magnet machine

華中科技大學褚文強等提出一種新型橫向磁通電機拓撲結構[77]，如圖22所示，永磁體磁化方向為軸向，U型的磁軛以兩倍極距均布，各相獨立，且軸向互錯120°。該新型橫向磁通電機采用了雙氣隙結構，降低了永磁體的用量，并且縮短了電機的軸向長度，提高了功率密度，特別適合作為中小功率的直驅型輪轂電機。

圖22 新型橫向磁通電機示意圖（三相）

文獻[78]中提出了一種交替磁極軸向磁通永磁電機，電機為三相電機，由3個軸向電機單元組成，每個單元間的轉子之間互差120°，一個單元電機結構如圖23所示。電機定子采用U型鐵心，永磁體充磁方向是徑向充磁。相較于傳統表貼式橫向磁通電機永磁用量減半，并且電機可以通過對磁阻轉矩的利用，提高電機的功率密度。

圖23 單相磁體交替式橫向磁通電機

山東大學的徐衍亮等[79-80]提出了一種基于軟磁復合材料（Soft Magnetic Composite, SMC）-Si鋼組合鐵心的盤式橫向磁通電機，并研制出一臺6 kW的樣機，電機直流母線電壓為144 V，額定轉速為3 000 r/min。電機的結構如圖24所示，該電機結合了盤式電機、分數槽集中繞組和橫向電機、SMC和硅鋼片材料的鐵磁性能互補性等幾方面優點，具有效率高、功率密度高、運行性能好的特點。電機極靴采用SMC材料，其厚度薄，在整個磁路中占比低，降低了導磁性能低對電機功率的影響，并且較大的極靴面積降低了極靴中磁通密度，進一步降低了對磁路的影響；SMC在高頻下具有較低的鐵耗，降低了電機高速運行時的損耗，提高了電機的效率；SMC的低導磁率使得電機有效氣隙長度增加，進而提高了電機永磁體利用率，同時降低了電機齒槽轉矩。

6 結論

本文對國內外各種結構的永磁電機進行了調研，并根據現有文獻分析總結出永磁輪轂電機的發展方向如下：

1）新材料與新工藝輪轂電機。材料技術的革新可能突破輪轂電機電磁負荷對電機體積的制約，進一步研發高導磁低損耗的磁性材料、低電阻率的導電材料、高導熱的絕緣材料、低密度高強度的結構材料，通過降低電機的損耗和質量，提升電機內部的傳熱能力，提高輪轂電機功率/轉矩密度。電機工藝的革新，將在現有材料的基礎上，通過不同工藝結構，實現電機低損耗、輕量化、高冷卻效率的設計。未來電機設計不再是單純的電磁設計和結構設計，而是要進行真正的多學科設計，將電機性能做到極致。

2）新型輪轂電機拓撲結構。將材料的特性與電機的運行原理相結合，研發出新型結構的高性能輪轂電機。在提高輪轂電機功率/轉矩密度的同時，利用不同材料的特性實現電機過載性能、轉速運行范圍和高效區范圍的提升。

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Review on Development of Permanent Magnet In-Wheel Motors

（State Key Laboratory of Tribology in Advanced Equipment Department of Mechanical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China）

Due to the advantages of small size, high power density, and high efficiency, the permanent magnet (PMSM) motor can be widely applied in electrical vehicles, new energy power generation, flywheel energy storage, machine tool equipment, and aerospace. This paper compares the characteristics and performance indicators of in-wheel motor products from domestic and international manufacturers. Then, the basic structure, characteristics, technology, and materials of the PMSM are dissected. Different schemes and structures are explored, with an emphasis on high efficiency, power density, reliability, and wide speed regulation. Finally, the common scientific problems of the PMSM motor are summarized, and the technical paths to improve the efficiency and power density are explored, providing a reference for future research and application of in-wheel motors.

Two primary integration forms for in-wheel motor drive systems, namely deceleration drive and direct drive, are discussed. The emergence of compact planetary reducers is highlighted, particularly for deceleration-driven hub motor systems, presenting great competitive advantages, especially in heavy-duty vehicle applications.

In the 21st century, in-wheel motor technology has been widely developed, with Foreign technologies leading the way, particularly in Europe. The main research and development enterprises are Schaeffler, Protean, Elaphe, NTN, TM4, and Michelin. The products of Schaeffler are all inner rotor structures. The products of Protean are outer rotor direct drive structures. Domestic technology is also continuously developing. Representatives are THIM Tianhai, Edes, Tate, and Shanghai Electric Drive. Shanghai Electric Drive and Shanghai University jointly developed an in-wheel motor with the same overall power density as the Protean's products.

According to the direction of the motor’s magnetic field, a permanent magnet in-wheel motor can be divided into a radial flux motor, axial flux motor, and transverse flux motor. Radial flux motors remain mainstream in the market due to their low cost and mature technology. Axial flux motors exhibit the characteristics of axial compactness and high-power density, but the process is complex. The transverse flux motors have the characteristics of electromagnetic load decoupling, high power density, and high design freedom. However, their power factor is low with magnetic flux leakage and a complex structure.

New materials are critical in overcoming development bottlenecks of in-wheel motors. Achieving lightweight design, efficient heat dissipation capacity, and copper content are identified as key objectives to reduce losses, enhance torque movement, and improve operation efficiency. By leveraging electromagnetic characteristics, these innovations contribute to increased power/torque density, expanded speed operation range, and reduced NVH and motor cost.

Dynamic system, electric vehicle, in-wheel motor system, in-wheel motor

TM351

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221656

國家自然科學基金資助項目（52075284）。

2022-08-30

2023-01-19

關 濤 男，1992年生，碩士，中級工程師，研究方向為永磁電機設計及其控制技術。E-mail: guantao@mail.tsinghua.edu.cn

劉大猛 男，1979年生，副教授，博士生導師，研究方向為摩擦能量耗散機理、光電無損檢測技術、復合檢測儀器和柔性材料制造裝備。E-mail: ldm@tsinghua.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）