电动汽车的轮毂电机系统取代了传统车辆中通常使用的变速器、传动轴、车轴及差速器。
新的轮毂电机系统通过增加一个完整的传动系统，为相关的轮胎提供扭矩(图1)从而来改变电动汽车的轮毂运作。这些轮毂电机系统还包括制动部件和马达驱动电子设备。道路试验将展示轮毂电机系统的性能和耐久性，因为这最终会影响电动汽车的性能。
1.图中所示为安装在外侧的发动机，会在底盘上为乘客或货物创造额外的空间。
目前看来，轮毂电机在许多方面都具有优势。传统的车辆通过减慢轮子的转速来实现像牵引和稳定控制这样的功能。但这种方法反应相当缓慢，而且仅限于施加阻滞力。要解锁打滑轮胎，最好使用一些驱动力矩。有了轮毂电机，就可以轻松做到这一点。你可以在毫秒的时间内精确控制扭矩，从而极大地改善对牵引力和稳定性控制，缩短停车距离，提高驾驶性能和安全性。
轮毂电机也允许扭矩转向，对不同的车轮施加不同的扭矩，这可以显著改善操作性能。在装有轮毂电机系统的汽车中，这种硬件能力基本上是免费的，只需要合适软件来操作即可。操作结果会使车辆就像是在铁轨上运行，而不是在弯道上;在城市交通中既能感到敏捷，又能在高速下保持稳定。
轮毂电机进化
实际上,轮内电机的基本技术可以追溯到19世纪末,当时维也纳的费迪南▪保时捷、芝加哥的约瑟夫▪莱文卡和弗雷德▪纽曼在无马车厢的每个车轮上安装了电机,以便可以简单、高效和可控地提供动力(图2)。他们的初步设计没有现在的轮毂电机技术成熟。
2.图中展示的是一款20世纪初的罗内-保时捷Semper Vivus的改造版，它的两个轮式电动马达在前面。
如今的车载技术开发人员，如Protean Electric，声称他们已经或即将克服使用这些发动机的挑战:如成本、额外质量和道路冲击等问题。汽车控制软件也是一个关键的设计挑战。它必须根据车辆的状况和驾驶员的指令，决定每一个电机在什么时刻需要什么扭矩。
在正常情况下，运行两个马达比运行一个马达要简单。但是如果其中一个马达发生故障，控制器就需要防止发生危险的不对称状况，因为这种状况将会导致车辆不受控制的偏到一边。
Protean Electric公司对这一安全问题的回应是，这两个电机包含两个完全独立的系统，这两个系统可以检测故障并平衡两个或多个电机上的扭矩。车辆必须符合ISO 26262标准，这是一个安全性国际标准，它要求证明危险的技术故障发生的可能性微乎其微。这是一个极难满足的标准，但Protean相信它的发动机将会让汽车制造商达到这些要求。
Protean的电机安装在车轮后面，可以作为驱动系统的一部分，不需要变速箱、差速器或传动轴。这就产生了一种节能的动力传动系统，它可以降低成本，减轻重量，并节省了车辆上先前专门用于安装传动系统部件的空间。Protean Electric表示，根据混合动力或插电式混合动力汽车电池的大小和驾驶周期，它的轮毂电机可将燃油经济性提高30%以上。它还能够通过向每个车轮施加最佳水平的单独扭矩来实现扭矩引导，以提高车辆的安全性和操控性。
轮毂电机仍有两个挑战需要克服:
减轻簧下质量，因为电机的重量将承载在每个动力轮中。
防止由于轮毂电机靠近车轮，而产生的路面震动和刹车热量。
关于簧下质量的争论
轮毂电机增加了簧下质量，这会给汽车操纵带来不利。每次当汽车撞到一个凸起，一个坑洞，或者一个减速带，所有的重量都在一个方向上，一旦它所连接的弹簧达到其行程极限，它就会朝相反的方向移动。
簧下质量是汽车悬架系统和道路之间的一切。在传统的汽车中，簧下质量包括刹车、轴承、车轮、恒速接头(在驱动轴上的装置，让它们以一个角度传输功率)和轮胎。将簧下质量保持在最低水平是一件好事。它的降低，提高了司机和乘客的乘坐质量，并使悬架更容易保持轮胎与道路的接触。
为了解决簧下质量问题，Protean去了英国的莲花工程公司，这是公认的驾驭和操纵专家，他要求工程师客观地调查“簧下质量”对车辆操纵的影响。莲花在福特福克斯的四个轮子上增加了高达30公斤的重量，并测量了汽车的振动和运动状况。
计算机模拟使其更深入地了解增加静态质量和旋转质量对车轮的影响。此外，受过培训的司机进行了标准化评估，提供了增加质量后如何影响乘坐和操纵的相关额外信息。
莲花工程师通过增加悬浮阻尼来消除增加簧下质量后的大部分影响。此外，他们还发现，当簧下质量来自连接在车轮上的马达时，会为汽车每一侧提供动力，这大大提高了汽车的操控性。
ProteanDrive轮毂电机
最新的轮内马达系统ProteanDrive是一个完整的车轮传动系统。它没有齿轮或传动装置。相反，电机的转子直接连接到轮毂上，将转矩从电动机传递到车轮。这有助于效率最大化(图3)。
3.图中所示为Protean electricPd18，它适合直径约46厘米的轮缘。每一个驱动轮的马达可以产生75千瓦,或略高于100马力的功率。
Protean的旗舰产品Pd18的设计适合直径约46厘米轮缘。重36公斤Pd18，可以在轮子上传递1250牛顿米(Nm)，即922英尺磅的扭矩和75千瓦的功率。这意味着两个可以提供高达2500牛顿米的扭矩和150千瓦时的功率。
与典型的内燃汽车发动机只能产生几百牛顿米的扭矩相比，这看起来可能是一个非常大的扭矩。但是，在传统的汽车中，发动机的扭矩要乘以发动机和车轮之间的齿轮比。一开始，可能是10;在更高的齿轮中，乘数会更低。因此，一对pd18可以满足传统汽车提供的典型车轮扭矩水平。
保护装置的核心是一台永磁同步电机和一套紧密集成的电子设备。电子器件将精确控制的电流发送到电机的线圈中，产生磁场，磁场与固定在转子上的稀土永磁磁铁相互作用。因此，每个轮毂电机都可以在一毫秒内传递所需的扭矩量。
整个电机包内的电子电路与电机进行冷却共享，电机的绕组可承载高达90A的热量，因此它们会散热。这些热量连同电子设备的热量一起，由流经发动机冷却剂通道中的水带走。冷却剂与电子元件及电机绕组有良好的热接触。这些线圈被封装在带有保护性的环氧树脂中，这有助于散热。电机与驱动电子的紧密结合使一个非常小的电机能够产生大量的电力。
在一个由现场可编程的软件上，每秒钟就能做出16000个决定，以决定是否应该将电压应用到绕组上。它们利用传感器来测量数据，传感器可以提供电机的电热状态以及位置和速度等信息。软件确保流经电机的电流准确无误，以保障电机平稳、安静地运行。
由于电动机不需要传动装置及差动或恒速(CV)接头来连接车轮，所以摩擦所消耗的能量就会减少。因此，相同的范围它可以使用更小的电池，从而节省大量的费用。它还承诺将降低运营成本，因为任何不得不更换破损的CV行李箱的车主都将感激不尽。
为了实现这一切，Protean必须克服几个技术挑战。一个是缩小和集成逆变器。大多数汽车逆变器的大小都如鞋盒一般。Protean版本的逆变器被封装在不到传统汽车逆变器一半的空间中，这样它就可以整齐地安装在电动机后面。以这种方式包装东西，每台电机只需要两个直流电缆。如果逆变器安装在其他地方，则需要通过多达六根电缆发送交流电。
Protean的电机在外面配置了转子。这将使定子和转子之间的间隙(在这个间隙中产生磁力)达到可用的最大半径，从而在轮圈的范围内产生尽可能多的扭矩。这种方法可以使电机在不需要传动装置的情况下产生足够的扭矩，但会降低效率并产生噪音。
环境影响
轮内系统必须能承受车轮在汽车寿命中可能会遇到的各种环境条件，例如:冲击、震动、水和岩石。当驾驶员要求车辆提供动力时，电子元件迅速变热，然后冷却;这种反复的热循环会导致组件过早降解。
Protean用特殊的钻机来测试电子设备并识别弱点。工程团队现在有了一个他们认为非常强大的设计，这个设计将延长整个车辆的生命周期。该公司将其寿命定 为30万公里、15年和8000个工作小时，这是这个要求很高的行业的普遍期望。
无论这项技术多么独特，它的成本都是令人望而却步的。Protean与一辆典型的电动传动系统的成本进行了比较，一辆带有变速箱、马达、差速器和传动装置，另一辆带有两个轮内马达。虽然两个马达比一个中央马达及传动系统要贵一些，但轮内系统的效率更高，因为它的质量更小，而且不会在传动过程中产生摩擦损失。因此，在许多情况下，汽车制造商可以交付一辆速度更快或更远(或两者兼有)的汽车，而成本不会超过竞争车型。
他们认为轮毂电机另一个问题是缺乏耐用性。把发动机放在车轮上，而不是在引擎盖下，意味着当汽车在崎岖的道路上行驶时，它们会受到冲击。这些冲击可能会给轮毂电机带来问题，但Protean的测试表明，设计一种能够承受冲击的产品是可能的。
4.图中所示为Protean Electric与LM Industries的战略合作伙伴将为该公司的自主客运班车提供轮毂电机，该班车被称为“Olli”。
Protean和美国开源汽车设计公司LM Industries合作为olli提供轮内技术，olli是世界上第一个共同创造的、自动驾驶、电动认知的巴士(图4)。
Fisker轨道自主电动巴士将使用Protean Electri的内轮电机技术来改善内部空间(图5)。
5.图中所示的是使用轮毂电机的Fisker Orbit，这是一款带有自动驾驶功能的汽车。
竞争
斯洛文尼亚公司Elaphe也在制造用于电动汽车的轮毂技术(图6)。Elaphe在温度低于零下三十度的情况下，在中国的一条结冰河流上，来测试其全电动轮毂驱动装置，以证明冰上牵引力控制比传统内燃汽车更好。
德国Ziehl-Abegg公司发明了一种用于轮毂驱动的发动机，它还可用于混合动力车、电池汽车和燃料电池商用车辆。
日产公司还开发了用于 BladeGlider的轮毂电机，这是其未来概念车的原型。
编译：减减
来源：http://www.powerelectronics.com
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