電傳動(dòng)車輛永磁輪轂電機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及展望

柴鳳， 于雁磊， 裴宇龍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

隨著陸戰(zhàn)平臺(tái)全電化發(fā)展模式的提出，電傳動(dòng)、電武器、電防護(hù)、電子綜合化等成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。作為未來(lái)地面高機(jī)動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展模式之一，電傳動(dòng)車輛顯示出蓬勃的生機(jī)，電傳動(dòng)車輛相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)車輛，具有機(jī)動(dòng)性優(yōu)良、有效空間大、能源利用效率高、總體布置和集成簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)勢(shì)，得到世界各國(guó)的青睞[3-6]。

電傳動(dòng)車輛要保證在各種復(fù)雜地形環(huán)境的通過(guò)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(jī)具有較高的峰值轉(zhuǎn)矩和良好的擴(kuò)速能力。同時(shí)，輪轂電機(jī)為非簧載質(zhì)量，而且車輪空間有限，對(duì)輪轂電機(jī)體積和質(zhì)量要求極其苛刻。因此，高轉(zhuǎn)矩密度輪轂電機(jī)的技術(shù)突破和創(chuàng)新研究是目前亟待解決的問(wèn)題。

目前，電傳動(dòng)車輛中主要采用輪轂電機(jī)直驅(qū)或輪轂電機(jī)加機(jī)械減速器構(gòu)型，輪轂電機(jī)主要采用永磁同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等[7-8]。其中，以美國(guó)通用動(dòng)力公司先進(jìn)混合動(dòng)力電傳動(dòng)系統(tǒng)為典型，其演示樣車構(gòu)型如圖1所示。隨著未來(lái)地面機(jī)動(dòng)平臺(tái)整體動(dòng)力需求的提高，探索新型輪轂電機(jī)拓?fù)浼捌潋?qū)動(dòng)構(gòu)型有望推動(dòng)電傳動(dòng)車輛的技術(shù)革新。

圖1 美國(guó)通用動(dòng)力公司先進(jìn)混合動(dòng)力電傳動(dòng)演示樣車構(gòu)型Fig.1 U.S. General Dynamics advanced hybrid electric drive (AHED) demonstration vehicle configuration

本文系統(tǒng)介紹了電傳動(dòng)車輛永磁輪轂電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，重點(diǎn)闡述了新型永磁輪轂電機(jī)在電傳動(dòng)車輛中的應(yīng)用潛力和亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，展望了未來(lái)新型輪轂電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)型，促進(jìn)了輪轂電機(jī)系統(tǒng)的多樣化，為我國(guó)全電化車輛的蓬勃發(fā)展提供相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備。

1 輪轂電機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

高性能永磁輪轂電機(jī)是電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力核心，具有較高的Corner功率(最大轉(zhuǎn)矩×最高轉(zhuǎn)速)和質(zhì)量轉(zhuǎn)矩密度，這是衡量輪轂電機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一[9]。其中，感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)均屬于單邊勵(lì)磁，Corner功率和質(zhì)量轉(zhuǎn)矩密度不高，通常作為輪邊電機(jī)，例如美國(guó)Tesla汽車采用的就是感應(yīng)電機(jī)方案。相對(duì)而言，永磁電機(jī)采用雙邊勵(lì)磁，具有高效、高Corner功率和質(zhì)量轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點(diǎn)，是目前輪轂電機(jī)的首選，得到世界各國(guó)的大力發(fā)展。

輪轂電機(jī)最早起源于德國(guó)和美國(guó)[10-12]，進(jìn)入21世紀(jì)，輪轂電機(jī)的研發(fā)在全球方興未艾，在民用輪轂電機(jī)領(lǐng)域，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)清水浩教授團(tuán)隊(duì)試制出IZA、ECO、KAZ等多種輪轂驅(qū)動(dòng)樣車[13-14]。在軍用輪轂電機(jī)領(lǐng)域，世界軍用車輛所采用的輪轂電機(jī)產(chǎn)品主要分為兩大派系，即以德國(guó)Magnet Motor(MM)公司為代表的德系和以英國(guó)QinetiQ公司、Magtech公司為代表的英系，它們均采用永磁輪轂電機(jī)傳動(dòng)方案，輪轂電機(jī)單元具有極強(qiáng)的輸出能力。

電傳動(dòng)車輛中永磁輪轂電機(jī)單元結(jié)構(gòu)形式多樣，可按圖2所示的方式進(jìn)行分類。輪轂單元的驅(qū)動(dòng)構(gòu)型主要可分為減速驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)，其中，直接驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)直接給車輪提供動(dòng)力，而減速驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)車輪。

圖2 永磁輪轂驅(qū)動(dòng)單元的分類Fig.2 Classification of permanent magnet in-wheel drive unit

對(duì)于輪轂電機(jī)，按定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)輪轂電機(jī)一般與機(jī)械減速機(jī)構(gòu)配合，是目前重型電傳動(dòng)車輛的主流選擇；外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)適用于直驅(qū)場(chǎng)合，相對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有更高的過(guò)載能力和轉(zhuǎn)矩輸出能力，但定子散熱難度更大，多用于中小型電傳動(dòng)車輛。德國(guó)MM公司的M73、M70、德國(guó)Schaeffler公司輪轂電機(jī)等采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而MM公司的M67、英國(guó)Protean公司輪轂電機(jī)等采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。按磁通走向可分為軸向和徑向磁通，軸向磁場(chǎng)永磁輪轂電機(jī)形狀扁平，易于安裝，能充分利用輪轂內(nèi)部空間，可做成多層或多段式結(jié)構(gòu)，但存在機(jī)械偏心問(wèn)題，在輪轂電機(jī)外徑較大時(shí)更為突出。此外，輪轂電機(jī)按有無(wú)鐵心可分為有鐵心和無(wú)鐵心兩種，相對(duì)而言，無(wú)鐵心電機(jī)質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)矩密度大而且過(guò)載時(shí)無(wú)飽和現(xiàn)象，電機(jī)輸出性能較好，但氣隙磁密低，當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率需求較大時(shí)定子電流很大，銅損急劇增加。因此該類電機(jī)只適合用于小功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，例如在小型飛機(jī)上，以美國(guó)LaunchPoint公司的產(chǎn)品最具代表性，電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體采用Halbach充磁方式，定子繞組采用樹(shù)脂澆注成型，轉(zhuǎn)子背板和輪圈采用輕質(zhì)高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料。表1所示為現(xiàn)階段輪轂電機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)比較。

表1 輪轂電機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)比較Tab.1 Key performances of in-wheel motors

目前，對(duì)于減速式輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型，減速器可選用機(jī)械減速器和磁齒輪減速器兩種，最初的設(shè)計(jì)思路是輪轂電機(jī)與機(jī)械減速器集成。與機(jī)械齒輪相比，磁齒輪具有無(wú)摩擦、噪聲小、振動(dòng)弱、無(wú)需潤(rùn)滑、少維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，因此人們也開(kāi)始嘗試將輪轂電機(jī)與磁齒輪集成化設(shè)計(jì)。早在21世紀(jì)初，香港大學(xué)就研發(fā)出一種輪轂電機(jī)與磁齒輪結(jié)合的復(fù)合式輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，去掉了機(jī)械減速齒輪[15]，但是該復(fù)合式輪轂電機(jī)系統(tǒng)具有多層氣隙，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造難度較大，在電傳動(dòng)車輛中的實(shí)用性不高。

目前，國(guó)內(nèi)外輪轂電機(jī)方面的研究已經(jīng)取得了顯著的成果，但是相對(duì)而言國(guó)外的技術(shù)更成熟，憑借多年的技術(shù)積累和先進(jìn)的制造工藝，在電磁性能、散熱冷卻和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面更勝一籌，目前已有的輪轂電機(jī)產(chǎn)品已成功實(shí)現(xiàn)民用化，更甚者已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)軍用化。由此可以看到，軍用輪轂電機(jī)在Corner功率密度方面更勝一籌，強(qiáng)調(diào)輪轂電機(jī)的極限輸出能力，而民用輪轂電機(jī)則更關(guān)注質(zhì)量轉(zhuǎn)矩密度，強(qiáng)調(diào)輪轂電機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)輪轂電機(jī)研究進(jìn)步明顯，在Corner功率和Corner功率密度方面與國(guó)外先進(jìn)水平接近，但是，在高性能輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)、制造工藝和批量化生產(chǎn)方面，還有很多地方值得去深究、細(xì)挖，尤其是在進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)矩密度、大比例減輕質(zhì)量，提高輪轂電機(jī)與磁齒輪、機(jī)械齒輪等減速機(jī)構(gòu)的集成化程度等方面迫在眉睫。

2 輪轂電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著車輛技術(shù)要求的提高，整車可靠性和輕量化成為發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要保證輪轂電機(jī)的輸出性能、冷卻散熱滿足整車運(yùn)行需求的同時(shí)，提高系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，增強(qiáng)輪轂單元整體輸出能力，其發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)為：

1)電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)一體化的機(jī)械集成設(shè)計(jì)；

2)電機(jī)與控制器一體化的電氣集成設(shè)計(jì)；

3)電機(jī)、減速器、控制器一體化集成設(shè)計(jì)；

4)電機(jī)、控制器單部件模塊化設(shè)計(jì)；

5)新原理、新材料、新工藝電機(jī)設(shè)計(jì)。

2.1 集成化、輕量化設(shè)計(jì)

2.1.1 重型車輛用輪轂電機(jī)

現(xiàn)階段，對(duì)于重型車輛用輪轂電機(jī)產(chǎn)品，在技術(shù)方案上均采用輪轂電機(jī)加減速器方案實(shí)現(xiàn)單輪高轉(zhuǎn)矩輸出，并且都經(jīng)歷了由單純追求單一輪轂電機(jī)部件的高轉(zhuǎn)矩密度轉(zhuǎn)向追求單輪系統(tǒng)的高轉(zhuǎn)矩密度方向發(fā)展，即輪轂電機(jī)和減速器一體化集成設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 輪轂電機(jī)和機(jī)械減速器集成構(gòu)型及發(fā)展趨勢(shì)Fig.3 Configuration and development trend of the integrated in-wheel motors and gear reducers

德國(guó)MM公司所研發(fā)的電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品，已被世界上許多軍用戰(zhàn)斗車輛輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廣泛采用[16]，如圖4所示。該公司生產(chǎn)的輪轂電機(jī)具有高度緊湊性，功率密度和轉(zhuǎn)矩密度極高，散熱結(jié)構(gòu)獨(dú)特，減速齒輪和輪轂電機(jī)軸向排布緊密。MM公司輪轂驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)型也逐步由圖3中的A構(gòu)型向D構(gòu)型衍變，其對(duì)軸向空間和電機(jī)內(nèi)部空間的利用率更高。

圖4 德國(guó)MM公司輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元Fig.4 Germany MM in-wheel motor drive unit

英國(guó)QinetiQ公司參與英國(guó)未來(lái)快速反應(yīng)系統(tǒng)(FRES)的研制[17]，如圖5所示。該系統(tǒng)采用內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，配以減速比為2的一級(jí)減速器，減速比低，減速器部分集成在輪轂電機(jī)內(nèi)部，其構(gòu)型如圖3中B構(gòu)型所示。該構(gòu)型對(duì)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩要求較高，減速器的設(shè)計(jì)難度有所降低，但增大了輪轂電機(jī)的設(shè)計(jì)難度，對(duì)噸位比較大的車輛而言，動(dòng)力匹配不當(dāng)時(shí)會(huì)降低整體系統(tǒng)性能。QinetiQ公司的新一代輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)GXV-T，其構(gòu)型如圖3中C構(gòu)型所示。該系統(tǒng)采用二級(jí)機(jī)械減速器，減速比得以提升，電機(jī)可以采用高速設(shè)計(jì)方案，通過(guò)多級(jí)減速達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩。由此可以看到，QinetiQ公司多采用多級(jí)減速的方式，電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，多級(jí)減速器設(shè)計(jì)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(guó)QinetiQ公司輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元Fig.5 UK QinetiQ in-wheel motor drive unit

2.1.2 輕型車輛用輪轂電機(jī)

相對(duì)來(lái)說(shuō)，輕型車輛用輪轂電機(jī)運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定，對(duì)車輛的加速能力和穩(wěn)定性追求更高，目前已有一系列輕量化措施，例如采用高強(qiáng)度、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料和先進(jìn)工藝，以及中空優(yōu)化方法，在保證強(qiáng)度和安全的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。對(duì)于一些低功率、輕載的小型電動(dòng)汽車，可選用結(jié)構(gòu)扁平、適合輪內(nèi)安裝的軸向磁通永磁輪轂電機(jī)。例如英國(guó)學(xué)者采用雙定子- 單轉(zhuǎn)子軸向磁通輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)定子固定在底盤上，使其成為簧上質(zhì)量，而轉(zhuǎn)子則直接驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)效率更高，運(yùn)行穩(wěn)定性更好[18]。

目前，更多的是采用機(jī)械結(jié)構(gòu)集成或控制器集成的方式縮小輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。日本精工株式會(huì)社(NSK)研發(fā)了配備二級(jí)機(jī)械減速器的輪轂電機(jī)單元，如圖6所示。通過(guò)兩個(gè)電機(jī)串聯(lián)和兩級(jí)行星齒輪機(jī)構(gòu)，向單個(gè)車輪輸出扭矩；同時(shí)，兩電機(jī)間布置離合器，可共同或獨(dú)立工作，轉(zhuǎn)速方向相同或相反。整個(gè)輪轂單元具有傳動(dòng)比調(diào)節(jié)范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但是兩級(jí)機(jī)械行星齒輪設(shè)計(jì)難度增大[19]。

圖6 日本NSK集成行星齒輪式雙電機(jī)輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.6 Japan NSK dual-motor in-wheel drive system integrated with planetary gears

現(xiàn)階段，輪轂電機(jī)、控制器一體化的電氣集成設(shè)計(jì)是民用輪轂電機(jī)產(chǎn)品的主流發(fā)展方向。國(guó)外輪轂電機(jī)廠商，例如英國(guó)Protean公司和德國(guó)Schaeffler公司均采用電機(jī)、控制器集成設(shè)計(jì)的思想，輪轂電機(jī)單元的體積、質(zhì)量大大降低。此外，Schaeffler公司研發(fā)的14 in內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)單元還集成了行星齒輪減速器，充分利用了電機(jī)內(nèi)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(jī)散熱難度更大，而軍用輪轂電機(jī)運(yùn)行工況惡劣，對(duì)系統(tǒng)散熱要求很高，若采用電機(jī)、控制器集成方式，將極大增加冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，以目前冷卻系統(tǒng)的發(fā)展水平來(lái)看，實(shí)現(xiàn)起來(lái)仍有一定的困難。

圖7 德國(guó)Schaeffler公司“多合一”輪轂電機(jī)產(chǎn)品Fig.7 Germany Schaeffler “all-in-one” in-wheel motors

綜上所述，輪轂電機(jī)的瓶頸技術(shù)是需要同時(shí)具備較高的峰值轉(zhuǎn)矩和寬廣的擴(kuò)速區(qū)域，即對(duì)電機(jī)提出了高速大扭矩的需求。無(wú)論是德國(guó)MM公司電機(jī)還是英國(guó)QinetiQ公司電機(jī)，其設(shè)計(jì)方案都無(wú)一例外要追求輪轂電機(jī)和機(jī)械齒輪減速器的最佳匹配。德系輪轂電機(jī)在高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)本體設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝方面具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，英系輪轂電機(jī)在多級(jí)和變級(jí)機(jī)械減速器設(shè)計(jì)方面優(yōu)勢(shì)更加明顯。在輕型車輛應(yīng)用領(lǐng)域，輪轂電機(jī)、控制器和減速器等關(guān)鍵部件“二合一”及“多合一”一體化集成的發(fā)展趨勢(shì)顯著。

2.2 電機(jī)、控制器模塊化設(shè)計(jì)

不同于整體輪轂電機(jī)單元的一體化集成設(shè)計(jì)思想，模塊化設(shè)計(jì)是單個(gè)輪轂電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。多模塊子電機(jī)、控制器系統(tǒng)能夠降低整車質(zhì)量，增大輪轂電機(jī)系統(tǒng)容錯(cuò)能力，保障車輛安全運(yùn)行。

多模塊化設(shè)計(jì)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(tái)雙轉(zhuǎn)子- 單定子軸向磁場(chǎng)永磁同步輪轂電機(jī)軸向模塊串聯(lián)的形式，經(jīng)行星齒輪減速后驅(qū)動(dòng)車輪[21]。英國(guó)Protean公司研制的直驅(qū)式外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)系統(tǒng)(見(jiàn)圖8)，其輪轂電機(jī)由幾個(gè)可單獨(dú)運(yùn)行的模塊電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，同時(shí)輪轂單元內(nèi)部集成多個(gè)獨(dú)立的逆變器，各個(gè)輪轂電機(jī)模塊可獨(dú)立控制[22-23]。

圖8 英國(guó)Protean公司模塊化輪轂電機(jī)系統(tǒng)Fig.8 UK Protean modular in-wheel motor system

2.3 新材料、新工藝電機(jī)設(shè)計(jì)

2.3.1 新材料電機(jī)設(shè)計(jì)

高溫超導(dǎo)電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、損耗低和效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，將超導(dǎo)材料分別應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)中，電機(jī)性能將得以大幅度提升[24-26]。非晶合金材料具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力和低損耗的特點(diǎn)，在電機(jī)中有廣闊前景，但開(kāi)槽方式和退火等因素對(duì)非晶材料的損耗特性影響較大[27-30]。內(nèi)置式永磁輪轂電機(jī)中磁橋處漏磁和轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度間存在矛盾，雙相材料不同位置呈現(xiàn)不同的材料特性，磁橋處的材料導(dǎo)磁率低且強(qiáng)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(jī)如圖9所示。

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

2.3.2 新工藝電機(jī)設(shè)計(jì)

電傳動(dòng)車輛對(duì)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度以及過(guò)載能力要求很高，且車輛運(yùn)行環(huán)境惡劣，需保證輪轂電機(jī)在高溫和強(qiáng)振工況下仍能正常工作，這對(duì)電機(jī)繞組工藝有非常高的要求。目前，在繞組工藝上比較先進(jìn)的是美國(guó)Remy公司，其開(kāi)發(fā)的HVH410系列電機(jī)采用獨(dú)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?zhèn)鹘y(tǒng)圓截面的圓線，槽滿率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升，端部用銅量減少，產(chǎn)熱量降低[32]。同時(shí)，這種工藝使得電機(jī)具有更小的體積、質(zhì)量和更高的效率、功率密度，易于集成化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段，扁銅線技術(shù)在民品電動(dòng)車和混合動(dòng)力車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，如日本Prius公司第4代驅(qū)動(dòng)電機(jī)(見(jiàn)圖11)。但仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)：一是在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)交流損耗大；二是繞組設(shè)計(jì)參數(shù)選擇有限，整體設(shè)計(jì)靈活度低。

圖10 美國(guó)Remy公司Hair-pin電機(jī)Fig.10 US Remy hair-pin motor

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

輪轂電機(jī)的冷卻系統(tǒng)制約了輪轂電機(jī)的極限輸出能力，傳統(tǒng)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(jī)極限性能難以進(jìn)一步提高，亟需新工藝引領(lǐng)冷卻系統(tǒng)的革新。近年來(lái)，增材制造技術(shù)發(fā)展迅猛，具有材料利用率高和制造異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。已有研究將該技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)制造中，以增強(qiáng)電機(jī)冷卻效率、散熱能力及減重，例如加工多孔、異形等拓?fù)?，制造中空銅導(dǎo)體并通以冷卻液等(見(jiàn)圖13)。但目前增材制造技術(shù)仍集中于電機(jī)中一個(gè)或幾個(gè)部件的替換，電機(jī)整機(jī)制造難度較大。同時(shí)，增材制造技術(shù)存在材料特性變化、孔隙大、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不穩(wěn)定等特有問(wèn)題，故應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注增材制造中多材料融合技術(shù)及與電機(jī)新型設(shè)計(jì)理念，這無(wú)疑將是電機(jī)領(lǐng)域的一次重大革新[33-36]。

圖12 電機(jī)傳統(tǒng)冷卻方式Fig.12 Conventional cooling methods for electrical machines

圖13 增材制造技術(shù)在電機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例Fig.13 Application of additive manufacturing technology in electrical machines

從整個(gè)輪轂電機(jī)單元發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，一體化輪轂電機(jī)集成技術(shù)方面亟需創(chuàng)新思想引領(lǐng)技術(shù)革新。不應(yīng)追求單部件的高性能，需要追求整個(gè)輪轂單元的最優(yōu)輸出能力和最佳匹配方式。同時(shí)，新材料、新工藝的出現(xiàn)為輪轂電機(jī)技術(shù)突破帶來(lái)曙光，在未來(lái)電傳動(dòng)車輛的輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中大有可為。

3 新型永磁電機(jī)在輪轂驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用前景

隨著電機(jī)領(lǐng)域不斷推陳出新，一系列新型輪轂電機(jī)不斷涌現(xiàn)，這有助于解決傳統(tǒng)永磁同步輪轂電機(jī)的部分瓶頸技術(shù)問(wèn)題，在未來(lái)電傳動(dòng)車輛永磁輪轂電機(jī)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

3.1 電磁減速式永磁電機(jī)

在高轉(zhuǎn)矩密度輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)上，可以引入電磁減速思想。電磁減速電機(jī)的概念起源于1963年[37]，隨后，基于電磁減速原理的永磁電機(jī)不斷涌現(xiàn)[38-41]。為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，磁齒輪電機(jī)等電磁減速電機(jī)的高速電樞磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)、低速永磁體磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)和調(diào)制塊數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系：

ps=Ns±pr，

(1)

式中：ps為電樞磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)；Ns為磁場(chǎng)調(diào)制塊數(shù)；pr為永磁體磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)。

在電磁減速式電機(jī)中，電磁減速比Gr定義為高速電樞磁場(chǎng)與低速永磁體磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的比值：

(2)

目前，已有部分高校和公司開(kāi)展了電磁減速式輪轂電機(jī)的研究，取得一系列成果[42-45]。英國(guó)Magnomatics公司研發(fā)出一款偽直驅(qū)永磁輪轂電機(jī)，最大輸出扭矩可達(dá)到3 000 N·m，用于城市電動(dòng)巴士[46]。與最初的磁齒輪復(fù)合輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)相比[15]，該結(jié)構(gòu)將輪轂電機(jī)與磁齒輪深度集成，輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子與磁齒輪外轉(zhuǎn)子合二為一，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)?；趥沃彬?qū)電機(jī)，將調(diào)制塊與定子齒進(jìn)一步集成，則形成機(jī)械結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的永磁游標(biāo)電機(jī)，其在電傳動(dòng)車輛中的實(shí)用性進(jìn)一步增強(qiáng)。表2所示為各研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的4款電磁減速式輪轂電機(jī)。

表2 電磁減速式輪轂電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和性能Tab.2 Topologies and performances of electromagneticgeared in-wheel motors

目前，電磁減速類輪轂電機(jī)仍存在一些問(wèn)題，例如磁場(chǎng)解析復(fù)雜[47-48]、功率因數(shù)低和永磁體損耗大等問(wèn)題。為提高轉(zhuǎn)矩輸出能力，可結(jié)合橫向磁場(chǎng)、軸向磁場(chǎng)電機(jī)[49-51]，但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械問(wèn)題大、加工困難，在電傳動(dòng)車輛輪轂驅(qū)動(dòng)中的實(shí)用性不高。轉(zhuǎn)子增加磁障也可增大輸出轉(zhuǎn)矩，但磁橋處漏磁嚴(yán)重，機(jī)械強(qiáng)度降低[52-53]。其次，低功率因數(shù)加劇了車輛電源的體積和成本，研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)優(yōu)化調(diào)制塊的形狀可調(diào)節(jié)功率因數(shù)，但異形調(diào)制塊加工復(fù)雜，實(shí)用性不高[54-56]；改變繞組拓?fù)涫翘岣吖β室驍?shù)的另一種思路，但繞組端部長(zhǎng)度增大，銅耗增加，定子繞組散熱更困難[57]；采用混合勵(lì)磁并增加直流線圈以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)的措施可提升功率因數(shù)，但電機(jī)運(yùn)行域效率降低[58-59]。再次，輪轂電機(jī)密封性好，轉(zhuǎn)子散熱困難，因此減小永磁體損耗至關(guān)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(fù)雜[60-62]；轉(zhuǎn)子增加磁障可削弱特性次諧波，有效降低轉(zhuǎn)子損耗[63]。

3.2 磁通可調(diào)式永磁電機(jī)

3.2.1 變?cè)褦?shù)、變極繞組切換電機(jī)

電傳動(dòng)車輛輪轂電機(jī)既關(guān)注低速大扭矩，又強(qiáng)調(diào)高速高功率，二者間存在矛盾，無(wú)法兼得。通過(guò)調(diào)整電樞磁場(chǎng)或者永磁體磁場(chǎng)均可達(dá)到調(diào)節(jié)總磁通的目的，電樞磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)可通過(guò)變?cè)褦?shù)和變極對(duì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)[64-65]。2015年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出一種繞組切換電機(jī)(見(jiàn)圖14)，通過(guò)切換繞組不同的串聯(lián)匝數(shù)，提高電機(jī)在整個(gè)工作區(qū)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(kāi)關(guān)，A1、B1、C1為三相電壓，PCBA、PCBB分別為兩種繞組切換狀態(tài)下的PCB電路板.

圖14 美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室變?cè)褦?shù)繞組切換電機(jī)Fig.14 U.S. ORNL variable-turn winding-switchable motor

3.2.2 記憶電機(jī)

調(diào)節(jié)永磁體產(chǎn)生的磁通可達(dá)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(guò)施加脈沖直接改變其磁化狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣隙磁通調(diào)節(jié)，是一種真正意義的可控磁通永磁電機(jī)[67-70]。這種直接調(diào)磁方法幾乎沒(méi)有勵(lì)磁損耗，降低了定子調(diào)磁銅耗，提升了高速運(yùn)行效率。日本Nissan公司的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了可變磁通結(jié)構(gòu)[71](見(jiàn)圖15)，這是一款6極45槽的扁線電機(jī)，它的磁鋼有100%磁化、75%磁化和50%磁化3種磁化狀態(tài)，工作轉(zhuǎn)速超過(guò)12 000 r/min，1臺(tái)電機(jī)相當(dāng)于3臺(tái)特性不一的電機(jī)，整體性能提高。

圖15 日本Nissan公司可變磁通永磁電機(jī)拓?fù)浼斑\(yùn)行特性Fig.15 Topology and operating characteristics of Japan Nissan variable flux permanent magnet motor

但現(xiàn)存記憶電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法仍存在一些問(wèn)題：未來(lái)需進(jìn)一步優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，削弱永磁體間的交叉耦合效應(yīng)，增加低矯頑力永磁的抗去磁能力；提高數(shù)值計(jì)算精度，以實(shí)現(xiàn)低矯頑力永磁體磁化特性的精確計(jì)算；研發(fā)高效充磁、去磁控制方法，以獲得更寬恒功率轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行；降低充磁、去磁帶來(lái)的損耗和溫升，以提高電機(jī)性能和系統(tǒng)效率。

3.3 容錯(cuò)式永磁電機(jī)

電傳動(dòng)車輛對(duì)于安全性和可靠性的要求非常高，系統(tǒng)內(nèi)故障必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決，甚至要求系統(tǒng)能夠帶故障容錯(cuò)運(yùn)行，因此，容錯(cuò)式輪轂電機(jī)具有重要的研究意義。與傳統(tǒng)三相輪轂電機(jī)相比，相數(shù)的冗余提高了輪轂電機(jī)系統(tǒng)的可靠性[72-75]，可通過(guò)容錯(cuò)控制算法實(shí)現(xiàn)故障后無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行[76-80]。多相電機(jī)可采用不同的容錯(cuò)控制策略，主要有兩大類：基于磁動(dòng)勢(shì)不變?cè)瓌t、基于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小原則，二者各自有不同的控制目標(biāo)和實(shí)施方法[81]。

多模塊化也是輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的重要途徑，英國(guó)Protean公司的輪轂電機(jī)采用的就是徑向多模塊化的思想[22-23]。輪轂電機(jī)也可以采用軸向多模塊化的方案[82]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出一種整數(shù)槽非重疊集中繞組的永磁容錯(cuò)電機(jī)(見(jiàn)圖16，α為模塊錯(cuò)開(kāi)角(機(jī)械角度))，各相繞組軸向分段、獨(dú)立分布，具有電、磁、熱隔離能力強(qiáng)、弱磁能力強(qiáng)、故障相更換方便、容錯(cuò)性好的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于可靠性要求高、故障發(fā)生頻繁的場(chǎng)合。

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

目前，容錯(cuò)式永磁輪轂電機(jī)的發(fā)展仍有不足。首先，弱磁升速控制對(duì)輪轂電機(jī)系統(tǒng)至關(guān)重要，但針對(duì)弱磁區(qū)域的容錯(cuò)控制研究成果較少；其次，容錯(cuò)控制的研究還大多基于凸極率較低的電機(jī)[83-84]，研究考慮磁阻轉(zhuǎn)矩的容錯(cuò)控制具有重要意義；再次，短路故障也是電機(jī)繞組常見(jiàn)故障之一，但較開(kāi)路容錯(cuò)控制研究較少[85-88]，其原因在于首先電機(jī)本體要有抑制短路電流的能力，且電機(jī)短路故障較開(kāi)路故障更為復(fù)雜，因此，短路容錯(cuò)控制還需進(jìn)一步發(fā)展。

3.4 多功能永磁電機(jī)

采用新結(jié)構(gòu)、新原理實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)的功能多樣化，是各國(guó)學(xué)者一直關(guān)注的重要研究方向。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出一種2自由度球形永磁輪轂電機(jī)(見(jiàn)圖17)，巧妙運(yùn)用了特殊極槽配合所帶來(lái)的定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布的特異性，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與偏轉(zhuǎn)進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，構(gòu)成了弧面2自由度電機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電傳動(dòng)車輛的直行和轉(zhuǎn)向兩種功能[89-91]。

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

美國(guó)固特異公司提出一種球形概念輪胎Eagle-360，車輛可實(shí)現(xiàn)360°全方位轉(zhuǎn)向。與此類似，英國(guó)Protean公司也推出一款全新車輪轉(zhuǎn)向方案Protean 360+，將電機(jī)、360°轉(zhuǎn)向和懸掛裝置集成于一個(gè)獨(dú)立的單元模塊，360+轉(zhuǎn)向車輪擁有緊湊的外形和模塊化的特性，頂部有轉(zhuǎn)向伺服系統(tǒng)、輪內(nèi)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)(見(jiàn)圖18)。它借助了內(nèi)置于車輪中的輪轂電機(jī)來(lái)提供動(dòng)力，且通過(guò)電機(jī)在每個(gè)單獨(dú)的車輪上增加轉(zhuǎn)向功能，實(shí)現(xiàn)極致的機(jī)動(dòng)性能[92]。

圖18 英國(guó)Protean公司360+永磁輪轂驅(qū)動(dòng)單元Fig.18 UK Protean 360+permanent magnet in-wheel drive unit

為了進(jìn)一步提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，Hunstable等提出一種新型電機(jī)設(shè)計(jì)概念，在單個(gè)電機(jī)中結(jié)合軸向和徑向磁通設(shè)計(jì)[93]。通過(guò)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(jī)少30%. 這種設(shè)計(jì)使得端部繞組長(zhǎng)度和銅耗降低，運(yùn)行效率提升。但是該結(jié)構(gòu)目前僅處于樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段，還未在車輛中得到實(shí)際應(yīng)用。圖19所示為新型軸向、徑向磁通混合式永磁電機(jī)。

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

由此可以看到，增加電機(jī)自由度、配置新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、提出新型電機(jī)結(jié)構(gòu)等均可拓展輪轂電機(jī)的功能，以實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)系統(tǒng)多功能的集成，這是未來(lái)電傳動(dòng)車輛實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展的重要技術(shù)路線。

4 永磁輪轂電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

歸納、總結(jié)永磁輪轂電機(jī)的發(fā)展概況和新型永磁輪轂電機(jī)的應(yīng)用前景，目前，永磁輪轂電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題可概括為以下4點(diǎn)：

1)理論完備的設(shè)計(jì)體系。高轉(zhuǎn)矩密度、功率密度是電傳動(dòng)車輛輪轂電機(jī)系統(tǒng)不懈追求的目標(biāo)，基于整車動(dòng)力需求下，建立輪轂電機(jī)的完整理論設(shè)計(jì)體系具有重要意義。輪轂電機(jī)電磁參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇均會(huì)影響其最終輸出性能，在設(shè)計(jì)時(shí)需系統(tǒng)化地總結(jié)、歸納，為未來(lái)新型輪轂電機(jī)研發(fā)提供理論和技術(shù)儲(chǔ)備。

2)強(qiáng)勁可靠的冷卻系統(tǒng)。輪轂電機(jī)的冷卻系統(tǒng)制約了其極限輸出能力。現(xiàn)階段，輪轂電機(jī)冷卻系統(tǒng)受限于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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(huán)境下冷卻系統(tǒng)的極限設(shè)計(jì)方面，其關(guān)鍵技術(shù)仍需進(jìn)一步突破。此外，冷卻技術(shù)的提升與加工工藝密切相關(guān)，新工藝、新材料是突破輪轂電機(jī)冷卻極限的先決條件。

3)輕質(zhì)高效的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。隨著輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度、功率密度的提高以及電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電機(jī)本體和控制器正向小型化、輕量化、高效率的方向發(fā)展。因此，電機(jī)、控制器等關(guān)鍵部件一體化集成設(shè)計(jì)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，但目前輪轂電機(jī)系統(tǒng)仍存在結(jié)構(gòu)空間、散熱能力和輸出性能方面的競(jìng)爭(zhēng)，需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、逐級(jí)突破。

4)緊湊集成的輪轂單元。對(duì)于電傳動(dòng)車輛來(lái)說(shuō)，應(yīng)追求輪轂單元的整體輸出性能最優(yōu)，研發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高的高性能輪轂驅(qū)動(dòng)單元極為關(guān)鍵。一方面，輪轂電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)；另一方面，雖然機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)已較為成熟，但有限空間下高可靠性、高精度、高傳動(dòng)效率的多級(jí)機(jī)械減速器設(shè)計(jì)仍與國(guó)外有一定差距，研發(fā)未來(lái)新型電傳動(dòng)車輛輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型迫在眉睫。

5 未來(lái)發(fā)展方向展望

服務(wù)于未來(lái)高機(jī)動(dòng)武器平臺(tái)和無(wú)人地面機(jī)動(dòng)平臺(tái)，輪轂電機(jī)系統(tǒng)的目標(biāo)需求可歸納為“五高”、“一多”，即高質(zhì)量轉(zhuǎn)矩密度、高Corner功率密度、高輪內(nèi)集成度、高可靠性、高效率和多功能復(fù)合。目前，永磁輪轂電機(jī)正向集成化、輕量化、電機(jī)模塊化，和新原理、新結(jié)構(gòu)、新材料應(yīng)用等方向發(fā)展，且輪轂電機(jī)類型也趨向多樣化，不局限于單一的永磁同步電機(jī)。未來(lái)進(jìn)一步的發(fā)展方向總結(jié)如下：

1)新材料、新工藝輪轂電機(jī)系統(tǒng)。材料技術(shù)的革故鼎新有望突破未來(lái)地面高機(jī)動(dòng)平臺(tái)的防護(hù)能力與機(jī)動(dòng)性之間的矛盾。新材料的應(yīng)用給輪轂電機(jī)加工工藝帶來(lái)革新，需進(jìn)一步研發(fā)高性能磁性材料、輕質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料、高導(dǎo)熱材料，在保證車輛動(dòng)力、安全性能和防護(hù)能力的前提下，盡可能降低電機(jī)體積和質(zhì)量，提高電傳動(dòng)車輛的機(jī)動(dòng)性。新工藝的變革對(duì)輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新起到很大的推動(dòng)作用，例如通過(guò)結(jié)合增材制造技術(shù)，引領(lǐng)未來(lái)新型輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)和加工理念。未來(lái)電機(jī)設(shè)計(jì)不僅要綜合運(yùn)用現(xiàn)有電磁理論、原理，更要跨學(xué)科、跨專業(yè)，才能將輪轂電機(jī)性能做到極致。

2)新型復(fù)合減速輪轂電機(jī)系統(tǒng)。探索發(fā)展新原理、新概念的動(dòng)力技術(shù)，以滿足未來(lái)地面高機(jī)動(dòng)平臺(tái)對(duì)動(dòng)力技術(shù)的需求。面向用途和任務(wù)的高集成度機(jī)電一體化技術(shù)是未來(lái)高機(jī)動(dòng)通用平臺(tái)的發(fā)展方向，作為其子系統(tǒng)，探索新型高性能輪轂電機(jī)系統(tǒng)的重要性不言而喻。在現(xiàn)有電磁減速電機(jī)的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究多級(jí)電磁、機(jī)械減速?gòu)?fù)合輪轂電機(jī)系統(tǒng)，探索多級(jí)電磁減速和機(jī)械減速的配置關(guān)系，研究電機(jī)內(nèi)部電磁減速比和外部機(jī)械減速比的合理匹配，為實(shí)現(xiàn)未來(lái)地面高機(jī)動(dòng)平臺(tái)的高度集成化和強(qiáng)勁動(dòng)力性能提供保障。

3)多功能輪轂電機(jī)系統(tǒng)。多功能化、智能化是未來(lái)無(wú)人機(jī)動(dòng)平臺(tái)發(fā)展的主要特征。若能將輪轂單機(jī)模塊化、電磁和機(jī)械減速器集成化等設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于單個(gè)輪轂電機(jī)單元，同時(shí)拓展輪轂電機(jī)的單機(jī)自由度，以實(shí)現(xiàn)車輛的原地轉(zhuǎn)向、橫向行駛等附加功能，這將使得車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，有望為未來(lái)無(wú)人地面機(jī)動(dòng)平臺(tái)各模塊的整體布局和規(guī)劃提供更大的自由度。