轮毂电机驱动技术的研究与进展

何　仁，张瑞军

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江　212013)

轮毂电机驱动技术的研究与进展

何仁，张瑞军

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江212013)

摘要：轮毂电机具有结构简单、传动效率高等特点，已在电动汽车上得到应用。为了扩大轮毂电机的功能和应用范围，介绍了轮毂电机的概念和驱动形式，分析了国内外轮毂电机驱动技术的应用和研究现状，研究了减少轮毂电机非簧载质量和轮毂电机冷却的技术方案，提出了轮毂电机今后需要进一步加强研究的关键技术：轮毂电机结构的优化与设计；轮毂电机的驱动与制动控制；轮毂电机与整车性能的匹配。

关键词：轮毂电机；驱动；制动；非簧载质量；冷却

目前，集中电机驱动是电动汽车动力的主要驱动形式。集中电机驱动虽然具有驱动系统布置容易、控制系统相对简单的优点，但是也存在着一些问题。由于集中电机驱动电动汽车存在离合器、变速器、主减速器、传动轴等机械传动系统，故不仅使底盘结构相对复杂、车内空间狭小，而且机械传动系统在传递动力的同时会造成能量的损失，使得能量利用效率不高。此外，集中电机驱动的传动系统在驱动电动汽车行驶时会产生较大的噪声，影响汽车的驾驶舒适性。

国外学者较早开展了利用轮毂电机驱动来改善集中电机驱动的电动汽车底盘结构复杂、车内空间狭小、能量利用效率不高等问题的研究，国内在十多年前开始研究轮毂电机驱动技术。目前，轮毂电机驱动技术已经在部分电动汽车上应用并取得了较好的效果。

1轮毂电机的概念及驱动形式

轮毂电机是将轮毂和驱动装置直接合并为一体的电机，也就是将电机、传动和制动装置都整合到轮毂中，俗称电动轮，有学者称其为轮式电机、车轮电机，英文名称以“in-wheel motor”居多，也称作“hub motor”和“wheel motor”。轮毂电机的驱动方式可分为减速驱动和直接驱动两大类。

1.1　减速驱动

减速驱动一般采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，能获得较高的功率密度，内转子电机的转速最高可达到10 000 r/min。高速内转子电机配备的减速器一般采用行星齿轮减速机构，包括行星轮、太阳轮和行星架，安装在电机与轮毂之间。电机输出的转矩通过行星齿轮减速机构的减速增矩驱动轮毂转动，从而使汽车前进。

这种驱动形式的优点是：由于电机在高转速下运转，故具有较高的比功率和效率，而且体积小，质量轻，通过减速结构的增矩后，输出转矩大，爬坡性能好；能保证汽车在低速运行时获得较大的平稳转矩。缺点是：难以实现润滑，会使行星齿轮减速结构的齿轮磨损较快，使用寿命变短，不易散热，噪声比较大。

1.2　直接驱动

直接驱动一般采用的是低速外转子电机，电机的外转子直接与轮毂机械连接，电机的转速一般在1 500 r/min左右，无减速结构，车轮的转速与电机转速一致。

这种驱动形式的优点是：由于没有减速机构，使得整个驱动轮的结构更加紧凑，轴向尺寸也较前一种驱动形式小，传递效率更高。缺点是：在起步、顶风或爬坡等需要承载大扭矩的情况时需要大电流，很容易损坏电池和永磁体，电机效率峰值区域小，负载电流超过一定值后效率下降很快。

2轮毂电机在汽车上的应用现状

20世纪50年代，美国人罗伯特发明了一种将电动机、传动系和制动系融为一体的轮毂装置。该轮毂于1968年被通用电气公司应用在大型的矿用自卸车上[1-2]。

日本庆应义熟大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组在1991—2001年研制的IZA、COMS、KAZ等电动汽车均采用轮毂电机驱动技术，其中：IZA采用直接驱动方式，电机的外转子直接与轮毂相连接；COMS采用的是减速驱动型轮毂电机，行星齿轮减速结构与鼓式制动器布置在内转子内部，与电机一起作为驱动单元；KAZ电动汽车的一大特点是车轮比传统的车轮要小，使得车辆的底盘和重心降低，该驱动系统采用的是减速驱动型，行星减速结构没有布置在内转子里面，而是与转子并排，制动器采用盘式制动器[3-5]。

本田公司于2005年在上海汽车展上发布了一款名为“FXC”的燃料电池电动汽车，该车也采用了轮毂电机驱动技术。

三菱公司与东洋公司于2005年合作开发了用于蓝瑟(Lancer)四轮驱动纯电动轿车的电动轮。每个电动轮的最大功率为 50 kW，最大扭矩为518 N·m，最高转速为 1 500 r/min，该车一次充电的行驶里程可达 250 km，最高车速可达到150 km/h。

法国米其林公司于2007年研制出了一款专门用于电动汽车的电动轮。该电动轮集成了嵌入式主动悬架、驱动电机、悬挂电机以及盘式制动器，这种电动轮可以应用于任何车型。

Volvo公司在2007年法兰克福汽车展上展出了著名的C30插入式混合动力电动汽车。该车采用英国PML公司生产的电动轮驱动系统，0～100 km/h的加速时间为9 s，最高时速为160 km/h。

法国跑车制造公司 Venturi 在2008年巴黎车展上展示了其研发的概念版四轮驱动跑车“Venturi Volage”，该跑车便使用了米其林的“主动轮”技术。

澳大利亚国立科学机构CSIRO与悉尼科技大学共同开发了一体化轮毂电机系统，应用于三轮太阳能电动车Aurora。该轮毂电机采用的是盘式电机，其轴向尺寸相当小，通过对车轮轮辋和电机本体的一体化设计降低了系统的总质量，电动车的最高车速达到 72 km/h[6-7]。

德国大众公司在2010年研制了R-zero电动轮概念车。该车结合了轮边电机驱动系统和锂电池蓄能器，0～100 km/h的加速时间只需要2.9 s。

西门子公司在2010年研制了ecorner电动轮汽车。该汽车的轮辋集成了轮毂驱动电机、车轮各组成部分、制动器等。

日本NTN公司在2011年东京车展上展示了其研发的一款Q’mo原型电动概念车，其4个车轮均采用轮毂电机驱动。

日本庆应大学清水浩教授组建的 “SIM-DRIVE”公司在2011展示了新研制的轮毂电机试验车“SIM-LEI”。该款轮毂电机电动汽车在一次充电JC08模式下能行驶308 km，0～100 km/h的加速时间为4.8 s，最高车速可达150 kW/h。

法国标致-雪铁龙集团在2013年研制了四轮边电机驱动电动轮汽车quark。该车将车轮的轮辋和驱动电机集成化设计，最大电机扭矩为102.2 N·m，0～48 km/h的加速时间为6.5 s。

福特汽车公司在2013年展示了一款以福特嘉年华为基础开发的eWheelDrive轮毂电机驱动汽车。eWheelDrive轮毂电机驱动系统将独立的电动机集成于两个后轮毂中，转向系统采用了全新的设计，能够让车辆无需转向直接平移进入侧方泊车位。

目前国内对轮毂电机驱动技术研究比较深入的企业主要有广州汽车集团和奇瑞汽车股份有限公司。广州汽车集团在2010年12月的广州车展上展出了基于阿尔法罗密欧166底盘打造的传祺纯电动汽车，两个后轮采用的是Protean Electric公司的轮毂电机，其峰值功率为83 kW，峰值扭矩为825 N·m。

奇瑞汽车公司在2011年的上海车展上展示了336 V轮毂电机的瑞麒X1-EV纯电动汽车。该电动汽车4个轮子均采用轮毂电机驱动，每个车轮的驱动力可以单独调节。该型电动汽车采用的是电机制动，能源利用率有效提高，与传统的集中电机电动汽车相比，在行驶相同里程时大约可以节约30%的车载蓄电池电量，并且车内空间得到很大提升。

目前国际上著名的轮毂电机生产厂商有英国的Protean Electric公司、加拿大的TM4公司、著名的轮胎生产商米其林公司和日本的普利司通公司。

英国的 Protean Electrics 是一家专门研发生产电动轮的公司，被誉为全球轮毂电机系统开发与商业化的领导者，其生产的 Protean Drive TM 轮毂电机能够实现 81 kW的动力和 800 N·m的扭矩，而质量仅为31 kg，可安装在常规直径为 18~24 英寸的车轮中，并且还拥有杰出的再生制动性能，在刹车过程中能回收高达 85%的可用动能，其结构如图1所示。Protean Electrics 公司已与多家整车厂商合作研发了多款装置轮毂电机的样车和改装车型，包括福特 F150-EV、Volvo 、C30 Series HEV、沃克斯豪尔 Vivaro 货车、广汽传祺 Trumpchi EV以及基于梅赛德斯奔驰E级的巴博斯纯电动与混合动力车型等，图2为配置了 Protean Drive TM 电动轮的电动汽车。

图1　Protean Drive TM 轮毂电机

图2　配置Protean Drive TM 电动轮的电动汽车

3轮毂电机驱动技术的研究现状

早在20世纪50年代，美国人罗伯特就发明了一种将电动机、传动系和制动系融为一体的轮毂装置，并申请了美国发明专利。该轮毂于1968年被通用电气公司应用在大型矿用自卸车上[1-2]。

2012年，P.Juris，K.Emmrich等[8-14]研究了温度对轮毂电机驱动系统的影响，通过对不同工况下不同参数对轮毂电机能量消耗及磁饱和度的分析，运用有限元的方法对轮毂电机进行了瞬态热力学仿真，结果表明：在特定驾驶工况下，轮毂电机的功率损失受温度的影响，过高的温度会导致轮毂电机的驱动性能失效，并影响永磁铁的去磁作用。

A.Kock，A．Tashakori等[15-20]对轮毂电机驱动系统的容错技术进行了研究，考虑电机失效时的制动转矩补偿，采用六相绕组设计轮毂电机驱动系统。这种设计方法不但可以减少转矩波动，而且可为转换器腾出更大的安装空间。对重新设计的轮毂电机进行了台架试验，结果表明设计符合国际安全标准。

2014年，Haiyan Zhao等[21]针对轮毂电机电动汽车采用三阶非线性完整控制方法对主动前轮转向和直接横摆力矩进行控制。结果表明，该方法能够明显改善轮毂电机驱动电动汽车的稳定性。

Yong Zhou等[22]提出了一种新型的轮毂电机。该轮毂电机装备多个永磁无刷直流电机，并且在此基础之上设计了多个永磁无刷直流电机的控制策略，能够实现与新型轮毂电机的多个永磁无刷直流电机的同步控制。试验结果表明，新的多永磁无刷直流电机具有更好的可靠性，控制策略可行。

Qiping Chen等[23]对轮毂电机驱动微型电动汽车的电机热损耗和温度场进行了研究，建立了热损耗与温度场的数学模型，通过对定子绕组方程的研究、对流换算系数的计算以及轮毂电机的温度场的分析，计算出了线圈绕组损耗、定子和转子铁芯损耗以及永磁体的涡流损耗，最后通过建立三维有限元分析模型分析了静态和瞬态的温度变化。结果表明，所建立的三维有限元分析模型可以精确和方便地分析轮毂电机的热损耗和温度场的分布。

以同济大学余卓平教授为核心的科研团队早期对汽车的参考车速估计、制动力分配、防抱死控制等进行了深入的研究。2007年，余卓平等[24]提出了基于四轮轮边驱动电动车的路面附着系数估算方法，利用轮毂电机测速准确、驱动力矩响应迅速等特点，对路面附着系数进行了详细的估算，并利用已经得到的估算结果对电机的驱动力矩进行控制。结果表明：该路面附着系数估算方法能够降低车轮的滑转，可有效提高车辆的行驶稳定性。2008年，余卓平等[25]针对当前复合制动系统中的再生制动力分配策略分析不全面的问题，基于复合制动系统结构形式以及驾驶员制动意图的分类，对再生制动力分配方法进行了研究，并以装备前轴式复合制动系统的车辆为例进行了仿真分析。2010年，熊璐等[26]为精确控制各轮毂电机的扭矩、获得更好的车辆动力学控制性能，运用Matlab/Simulink仿真平台对再分配伪逆算法、层叠广义算法和加权最小二乘法在计算速度和计算精度等方面进行了对比分析和评价。结果表明，加权最小二乘法最优。

2012年，张立军等[27]针对永磁同步轮毂电机电动轮总成建立了包括电机转矩波动动力学模型与充气轮胎系统耦合动力学模型，运用Matlab/Simulink仿真平台进行了仿真分析。结果表明：电机的转矩波动会引起轮胎纵向接地力的振荡，具有明显的阶次特性。

北京理工大学的谢绍波等[28]对在前轮上运用轮毂电机驱动的电动汽车的行驶稳定性进行了研究，建立了整车动力性模型，同时设计了双层控制器用来协调电机扭矩和液压制动转矩，最后对单移线和蛇形线工况进行了仿真分析。结果表明，所设计的控制策略能够提高车辆的横摆稳定性。

吉林大学的王庆年等[29-30]对轮毂电机驱动汽车的最佳车轮滑移率实时识别进行了研究，根据轮毂电机驱动汽车轮胎与路面的附着特性以及轮毂电机驱动系统的特点提出了轮毂电机驱动对应最大附着系数的滑移率识别方法，并通过仿真和实车试验进行了验证。

国立台北科技大学的Min-Hung Hsiao等[31]在Matlab/Simulink中建立了轮毂电机驱动车轮的单轮模型，并设计了轮胎滑移模式观察器用来估算轮胎相对路面的附着力和滑移率，通过所设计的轮胎滑移控制器实现对车轮滑移的控制，最后通过仿真验证了该车辆的防抱死制动功能。

2014年，陈治宇等提出了一种基于新型摆线包络行星减速器的电动轮。该新型电动轮毂以永磁无刷直流电机为驱动，采用新型摆线包络减速器作为主传动装置，实现了“电机—驱动装置—轮壳”的整体设计。该新型减速器的主啮合副由摆线齿轮和摆线二次包络内齿轮组成，输出机构采用双圆盘简支滚子滑槽浮动盘形式，同时给出了摆线二次包络齿轮的啮合方程和齿廓方程，验证了该啮合副的一对啮合齿在一定范围内存在二次作用现象。结果表明：该新型摆线包络行星减速器的电动轮具有过载能力大、体积小、集成度高、制造成本低等优势，应用在电动轮中可实现单轮驱动或全时四轮驱动[32]。

2014年，杨蔚华等[33]提出了一种用于电动汽车的集动力、悬架、制动和行驶为一体的高效紧凑的多功能电动轮系统。为了克服单边磁拉力及减少漏磁，将电动机设计成电枢在中间、永磁体在两边的双转子结构，并将永磁体直接粘到外壳上，避免了永磁体和外壳相互运动产生的涡流损耗。电枢无槽无铁芯，直接由绕组注塑而成，双转子和单定子构成双气隙。进行了轮毂盘式永磁电机的结构设计与动力参数计算，设计了基于MR阻尼器的车轮内装半主动悬架，把电动轮与四轮独立驱动电动汽车车体进行耦合，用advisor软件建立了整车动力学模型。结果表明：该车的动力性与设计指标基本相符，电动轮驱动系统的设计方案实用、可行。

4.轮毂电机的应用技术

4.1　轮毂电机非簧载质量的减少

由于轮毂电机驱动电动汽车需要把驱动电机、减速机构、制动器都集中在车轮内，故如果不采取有效措施，必然会引起汽车非簧载质量的增加，增大轮毂电机驱动电动汽车垂直方向的振动幅度，影响轮胎的附着性能，不利于汽车的控制，同时也会降低汽车的平顺性和舒适性。同时，电机放置在车轮内，电机将会承受来自路面的很大的冲击载荷。因此，研究轮毂电机非簧载质量的减少方法能够指导电动轮设计、结构改进及理论分析，具有重要的意义。

减少非簧载质量的方案通常包括：① 通过特殊形式的电机将非簧载质量转化为簧载质量；② 利用电机质量构造吸振器对非簧载质量引发的垂向振动负效应进行控制；③改变簧载质量与非簧载质量的比值。

Johansen,Yang等[34-36]提出了通过特殊平面电机设计将电机的定子质量转化到簧载质量中的方法。

Nagaya等[37]利用电机质量构造吸振器对非簧载质量引发的垂向振动负效应进行控制。

夏存良等[38]以双横臂扭杆弹簧被动悬架和主动悬架模型对车辆非簧载质量引发的垂向振动负效应进行分析，并探索了解决该问题的有效性。

赵艳娥等[39]通过设置与悬架系统并联的减振机构将轮毂电机定子质量由簧下质量转化为簧上质量。

谭迪、罗玉涛等[40-41]提出了一种内置悬置系统的电动轮拓扑结构方案。通过设置橡胶衬套将轮毂电机作为一个整体与簧下质量进行弹性隔离，再将电机转化为与簧上质量并联的质量，在提高簧上和簧下质量比值的同时尽量减小来自路面的激励对电机气隙的影响。

Profumo，Mellor等[42-43]提出了通过轮毂电机、轮辋和轮毂等其他零部件的一体化设计来寻求改善车辆垂向性能的方法。

B.Hredzak等[44]设计了一款采用盘式电动机的轮毂电机。如图3所示，该盘式电动机由双定子和一个转子组成，将两个定子固定在底盘上，使其成为簧载质量，而转子和车轮相连以带动车轮转动，这样只有电动机的转子部分在车轮上。这种电机的布置方式使得非簧载质量相比整个电机布置在轮内的方式减轻了不少。但是这种驱动形式又带来新问题：车轮受到的地面冲击会直接传递到电动机的转子上，进而使电动机的气隙宽度不断变化，影响电动机转矩的输出。

重庆大学的罗虹等[45]提出了一种解决非簧载质量增加的方案，即在直接驱动轮毂电机的电动系统中直接将电机质量作为吸振器质量，不另外增加质量块，这个方案能够将整个电机质量作为簧载质量。图4为电动轮总体布置示意图。电机悬架由弹簧、阻尼器、导向机构和限位装置等组成，其中导向结构使电机只能相对于车轮作垂向跳动。

图3　双定子轴向磁通轮毂电机驱动形式

图4　电动轮总体布置示意

4.2　轮毂电机的冷却

车轮由于经常需要处在大负荷低速爬长坡工况下，而电机又放置在狭小的车轮内，因而容易出现冷却不足导致电机过热烧毁的问题。但是，从轮毂电机的防护和保养来看，电机的密封性越强越好，这使得轮毂电机在运行过程中产生的热量难以散向电机外，给电机的冷却带来了难度。因此，电机的散热和强制冷却问题亟需解决。

轮毂电机冷却的解决方案主要有两种：① 在电动轮的结构设计中考虑采用气体(风)来冷却电机，应用有利于气体循环流动的电动轮结构来冷却轮毂电机；② 在电动轮的结构设计中考虑采用液体(水)来冷却电机，通过设置专门的冷却液(水)道，通过与液体的热交换来冷却轮毂电机。

Ryunosuke Kawashima等[46]设计了一种专门冷却制动盘和轮毂电机的冷却风扇。该方案在轮毂内安装一个叶片形状辐条，利用叶片状的辐条的转动产生气流来对制动盘和轮毂电机进行冷却散热。把设计的冷却风扇装在实车上进行试验，结果表明：装有冷却风扇的汽车需要多消耗2%～4%的能源，但是能够增强空气的流动，在车轮入口处增大了气体的回旋流，使电机达到较好的散热效果。

Gwang-Ju Park等[47]于2013年申请了名为“外转子电机与外转子轮毂电机”的美国发明专利。该发明专利中，轮毂电机的外转子同轮毂刚性连接，直接驱动轮毂转动，定子由定子支架支撑在车轴上，在定子支架上设置有导风槽、冷却槽，能够促进轮毂内空气循环流动，增强气体对定子的冷却。

Naoki Moriguchi等[48]于2012年申请了名为“轮毂电机的冷却结构”的美国发明专利。该发明专利采用的是外转子直接驱动的轮毂电机，电机的外壳做成有利于空气流动的网状结构，能够加速轮毂内空气的循环流动，从而使电机达到较好的散热效果。

Royji Mizutani等[49]于2010年申请了名为“高效冷却的轮毂电机”的美国发明专利。该发明专利中在轮毂电机转轴的末端设置了一个油泵，通过油泵的作用使得油箱内的油进入专门设置的冷却通道直至到达电机定子，通过油与定子的热交换冷却定子。

孟磊等[50]于2009年申请了名为“一种机电集成化车轮电机”的中国发明专利。该发明专利中的轮毂电机专门设置了冷却管道来冷却驱动电机。冷却管道位于电机定子硅片、绕组和驱动电机壳体之间，电机后盖板固定在驱动电机壳体的一侧，冷却管路接口通过电机后盖板与外部连接。

张建成[51]于2009年申请了名为“水冷磁阻定子绕组车轮电机”的中国发明专利。在该发明专利中，轮毂电机在电机主轴上安装了磁阻转子铁心，水冷磁阻定子绕阻安装在电机内壳内，电机内壳与电机外壳间是一能够流通冷却介质的空腔，冷却介质从空腔入口进入，从出口流出，从而达到冷却定子绕组的目的。

吴尤利[52]于2008年申请了名为“一种车轮电机及其应用”的中国发明专利。在该发明专利中，轮毂电机采用水冷轮毂和定子绕组的方法，在轮毂上设置环形槽，在环形槽内设置冷却水管道，冷却水通过在冷却水管的循环流动来冷却轮毂和定子绕组。

5轮毂电机驱动技术的发展方向

由于车轮内部空间有限，给驱动电机、制动系统、减速机构、控制系统的合理布置增加了难度。采用轮毂电机驱动的电动汽车对驱动电机的功率密度性能要求高，设计难度大，同时，由于轮毂电机工作环境恶劣，必然需要通过对轮毂电机结构的优化和设计来保证轮毂电机安全、高效地运行。

由于轮毂电机驱动的电动汽车取消了传统汽车的机械传动部分，所以无法采用机械差速器对轮毂电机驱动的电动汽车进行差速控制，虽然现在出现了电子差速器，但是当车速超过一定值时，车辆就会出现明显的方向失稳现象。对于传统的电动汽车，采用驱动电机配备减速装置驱动车辆的方案可以使驱动电机的布置更加灵活，并且可以沿用原来的液压制动系统作为行车制动系统，只需采用电动真空泵为真空助力器提供一定的真空度即可。但是对于轮毂电机直接驱动的电动汽车，轮毂电机占据了车轮内部的大部分空间，这就使得机械制动器的布置产生了困难，即使采用结构优化安装了机械制动系统，紧凑的布置形式也很可能产生影响制动器及轮毂电机的散热、机械制动和再生制动的协调等方面的问题，同时影响车轮的定位参数，造成电动汽车操纵稳定性的下降。因此，轮毂电机的驱动与制动控制也是今后需要研究的关键技术[53]。

将电机布置在轮毂内，在不平路面激励下的轮胎跳动、载荷不均、安装误差等都将引起电机气隙不均匀，这将使得轮毂电机引起的振动激励进一步恶化，同时引起定转子及相邻部件的振动，给车辆的平顺性和接地安全性带来不利的影响，通过研究轮毂电机与整车性能的匹配来消除这种不利影响已成为轮毂电机驱动电动汽车发展所要解决的关键问题之一。

6结束语

本文介绍了轮毂电机概念和驱动形式，分析了有关轮毂电机驱动技术的国内外研究和应用现状。从轮毂电机非簧载质量的增加、轮毂电机的冷却2个方面讨论了轮毂电机的应用技术问题，提出了今后轮毂电机需要研究的关键技术：① 轮毂电机结构的优化与设计；② 轮毂电机的驱动与制动控制；③ 轮毂电机与整车性能的匹配。

参考文献：

[1]褚文，辜承林.电动车用轮毂电机研究现状与发展趋势[J].电机与控制应用，2007，34(4):1-5.

[2]褚文强，辜承林.国内外轮毂电机应用概况和发展趋势[J].微电机，2007，40(9):77-81.

[3]Kaya Y，Ishitani H，Sakurai T，et al.IZA，a new concept，advanced electric vehicle developed by Tokyo Electric Power Company[C]//25th ISATA Silver Jubilee International Symposium on Automotive Technology and Automation.Florence，Italy:[s.n.]，1992.

[4]Matsugaura S，Kawakami K，Shimizu H.Evaluation of Performances for the In-Wheel Drive System for the New Concept Electric Vehicle “KAZ”[C]//Proceedings of the 19th international electric Vehicle Symposium.Busan，Korea:[s.n.]，2002.

[5]Terashima M，Ashikaga T，Mizuno T，et al.Novel Motors and Controllers for High-Performance Electric Vehicle with Four In-wheel Motors:Industrial Electronics[J].IEEE Transactions，1997，44(1):28-38.

[6]Willberger J，Rojas A，Niederkofler H.Energy efficiency and potentials of electric motor types for wheel hub applications[J].SAE Paper，2009，24(1):158-162.

[7]Willberger J，Ackerl M，Rojas A，et al.Motor selection criteria and potentials of electrified all wheel drive concepts for passenger cars by add-on wheel hub motors on the rear axle[J].SAE Paper，2010，28(1):1302-1307.

[8]Juris P，Brune A，Ponick B.A Couple Thermal-Electromagnetic Energy Consumption Calculation for an Electric Vehicle with Wheel Hub Drive Considering Different Driving Cycles[C]//Proceedings of 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference.Seoul，Korea:[s.n.]，2012.

[9]Emmrich K，Brune A，Ponick B.Evaluation of an Analytical，Efficiency-Optimized Torque-Speed Characteristic of Induction Machines Coupled with a Thermal-Electromagnetic Energy Consumption Calculation[C]// 21st International Conference on Electrical Machine.Berlin，Germany:[s.n.]，2014.

[10]Li G J，Javier O，Emmanuel H，et al.Thermal-electromagnetic analysis for driving cycles of embedded flux-switching permanent-magnet motors[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology，2012，61(1):140-151.

[11]Alberti L，Bianchi N.A Coupled Thermal-Electromagnetic Analysis for a Rapid and Accurate Prediction of 1M Performance[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions，2008 (11):281-287.

[12]Dorrell D G.Combined Thermal and Electromagnetic Analysis of Permanent-Magnet and Induction Machines to Aid Calculation[J].Industrial Electrics，IEEE Transactions，2008 (21):54-62.

[13]Ojeda J，Hoang E，Gabsi M et al.Thermal-Electromagnetic Analysis for Driving Cycle of Embedded FluxSwithing Permanent-Magnet Motors[C]//Proceedings of Vehicular Technology.Proceedings of IEEE Transactions.USA:IEEE，2012:114-118.

[14]Li G J，Ojeda J，Hoang E，et al.Comparative Studies Between Classical and Mutually Coupled Switched Reluctance Motors Using Thermal-Electromagnetic Analysis for Driving Cycles[J].IEEE Transactions on Magnetics，2011，47(4):839-847.

[15]Kock A，Groninger M，Mertens A.Fault Tolerant Wheel Hub Drive with Integrated Converter for Electric Vehicle Applications[C]//Proceedings of 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference.Seoul，Korea:IEEE，2012.

[16]Tashakori A，Ektesabi M.Fault diagnosis of in-wheel BLDC motor drive for electric vehicleapplication[C]//2013 IEEE Intelligent Vehicles Symposium.Gold Coast，QLD，Australia:[s.n.]，2013.

[17]Chukwuma J.Ifedi，Barrie C.Mecrow，SimonT.M.Brockway，Gerard S.Boast，Glynn J.Atkinson，and Dragica Kostic-Perovic.Fault Tolerant In-Wheel Motor Topologies for High-Performance Electric Vehicles[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2013，49(3):1249-1257.

[18]Liu Chao，Zong Changdu，He Lei，et al.Passive fault-tolerant performance of 4wid/4wis electric vehicles based on MPC and control allocation[C]//11th International Conference on Engines and Vehicles.Capri，Naples，Italy:[s.n.]，2013.

[19]Rongrong Wang，Junmin Wang.Fault-tolerant control for electric ground vehicles with Independently-actuated in-wheel motors[J].Journal of Dynamic System，Measurement and Control，Transactions of the ASME，2012，134(2)：021014.

[20]Ifedi C J，Mecrow B C，Brockway S T M，et al.Fault-tolerant in-wheel motor topologies for high performance electric vehicles[C]//2011 IEEE International Electric Machines and Drives Conference.[S.l.]:IEEE，2011:1310-1315.

[21]Haiyan Zhao，Bingzhao Gao，Bingtao Ren，et al.Integrated control of in-wheel motor electric vehicles using a triple-step nonlinear method[J].Journal of the Franklin Institute，2015(2):519-540.

[22]Yong Zhou，Yufeng Zhang.A novel method for the control of multi-motor system based on embedded terminal[J].Procedia Engineering， 2011，24(5)：219-225.

[23]Qiping Chen，Xuanlan Yang.Calculation analysis of thermal loss and temperature field of in-wheel motor in micro-electric vehicle[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2014，28 (8)：3189-3195.

[24]余卓平，左建令，陈慧.基于四轮轮边驱动电动汽车的路面附着系数估算方法[J].汽车工程，2007，29(2)：141-145.

[25]余卓平，张元才，徐乐，等.复合制动系统制动力协调分配方法仿真研究[J].汽车技术，2008(5):1-4.

[26]熊璐，余卓平.轮毂电机驱动电动汽车各轮毂电机扭矩分配算法的仿真与评价[J].计算机辅助工程，2010，19(1)：27-31.

[27]张立军，钱敏，余卓平.轮毂电机—轮胎总成非线性动力学特性仿真分析[C]//第五届中国智能交通年会.北京：[出版者不详]， 2012:58-64.

[28]Xie Shaobo，Lin Chen.Stability Control of a Dual-motor Vehicle Based on Coordinated Application of Motor and Hydraulic Actuator[C]//Proceedings of Power Electronics Systems and Application(PESA)，4th International Conference.USA:[s.n.]，2011:1-5.

[29]王庆年，王军年.用于电动轮驱动汽车的差动助力转向[J].吉林大学学报:工学版，2009，39(1):1-6.

[30]靳立强，王庆年，宋传学.电动轮驱动汽车的最佳车轮滑移率实时识别[J].吉林大学学报:工学版，2010，40(4):889-894.

[31]Min-Hung Hsiao,Chien-Hen Lin.Antilock Braking Control of Electric Vehicles with Electric Brake[J].SAE，2005，33(1):1578-1581.

[32]陈治宇，梁栋，李朝阳.基于新型摆线包络行星减速器的电动轮[J].重庆大学学报:自然科学版，2014，38(8):171-173.

[33]杨蔚华，李友荣，方子帆，等.新型多功能电动轮设计与整车动力性能仿真[J].科学技术与工程，2014，14(12):113-117.

[34]Johansen P R，Pattersib D，O’keefe C.The use of an axial flux permanent magnet in-wheel direct drive in an electric bicycle[J].Renewable Energy，2001，22(1/2/3):151-157.

[35]Yang Y P，Luh Y P，Cheng C H.Design and control of axial-flux brushless DC wheel motors for electric vehicles-part I:multi-objective optimal design and analysis[J].IEEE Transaction on Magnetics，2004，40(4):1873-1882.

[36]Eastham J F，Balchin M J，Becter T，et al.Disk motor with reduced unspring mass for direct EV wheel drive[C]//Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electrics.Athens:IEEE，1995:569-573.

[37]Nagaya G，Wakao Y，Abe A.Development of an in-wheel drive with advanced dynamic-damper mechanism[J].JSAE Review，2003，24(4):477-481.

[38]夏存良，宁国宝.轮边驱动电动车大质量电动轮垂向振动负效应主动控制[J].中国工程机械学报，2006，4(1):31-34，42.

[39]赵艳娥，张建武，韩旭.轮毂电机独立驱动电动汽车动力减振机构设计与研究[J].机械科学与技术，2008，27(3):395-398，404.

[40]谭迪，罗玉涛，叶志伟.内置悬置轮毂电机驱动系统参数灵敏度分析[J].华南理工大学学报:自然科学版，2013，41(5):131-138.

[41]罗玉涛，谭迪.一种带新型内置悬置系统的 电动轮结构研究[J].汽车工程，2013，35(12):1105-1110.

[42]Profumo F.Axial Flux Machines Drives.A New Viable Solution for Electric Cars[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44(1):39-45.

[43]Mellor P H.Hub-Mounted Electric Driven-Train for a High Performance All-Electric Vehicle[C]// IEEE Colloquium on Machines and Drives for Electric and Hybrid Vehicles.London，UK:IEEE，1996.

[44]宋佑川.新一代电动汽车中电动轮设计方法的研究[D].武汉：华中科技大学，2004.

[45]罗虹，谢丹，马英.动力吸振型电动轮动力传动机构分析与设计[J].机械科学与技术，2014，33(2):249-253.

[46]Kawashima R，Kanemoto T.Automotive wheel with cooling fan for brake system and in-wheel motor[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27 (6):1687-1692.

[47]Gwang-Ju Park，Gyeongsangnam-do.OUTER-ROTOR TYPE MOTOR AND OUTER-ROTOR TYPE IN-WHEEL MOTOR[P].US Patent，8，403，087 B2，2013.

[48]Moriguchi N.COOLING STRUCTURE FOR IN-WHEEL MOTOR[P].US Patent，8，251，167 B2，2012.

[49]Royji Mizutani，Nishikamo-gun.IN-WHEEL MOTOR CAPABLE OF EFFICIENTLY COOLING MOTOR[P].US Patent，7，819，214 B2，2010.

[50]孟磊，马亚青.一种机电集成化车轮电机[P].中国:申请号:CN200910210715.9，2009.

[51]张建成.水冷磁阻定子绕组车轮电机[P].中国：申请号：CN200910215960.6，2009.

[52]吴尤利.一种车轮电机及其应用[P].中国:申请号:CN200810182617.4，2008.

[53]杨宇.轮毂电机驱动电动汽车的电制动特性研究[D].长春：吉林大学，2013.

(责任编辑刘舸)

收稿日期：2015-03-19

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275212)

作者简介：何仁(1962—)，男，江苏南京人，博士，教授，主要从事汽车机电一体化技术研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.002

中图分类号：U461.3

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2015)07-0010-09

Research and Development of in-Wheel Motor Drive Technology

HE Ren, ZHANG Rui-jun

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:In-wheel motors have been applied in electric vehicles for their characteristics of high transmission efficiency and simple structure. The principle and research situation of in-wheel motors were given to expand their application scopes and functions，and the concept and drive form of in-wheel motor were introduced，and the present situation of application and research of in-wheel motor drive technology at home and abroad were analyzed. The solutions to decrease the unsprung mass and the cooling of in-wheel motor were analyzed and the key technologies about coordinated control problems were proposed：the structure design and optimization of the hub motor，the driving and braking of control in-wheel motor and the matching of hub motor and vehicle performance.

Key words：in-wheel motor; driving; braking; unsprung mass; cooling

引用格式：何仁,张瑞军.轮毂电机驱动技术的研究与进展[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2015(7):10-18.

Citation format：HE Ren, ZHANG Rui-jun.Research and Development of in-Wheel Motor Drive Technology[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(7):10-18.