轮毂电机，简而言之，就是将电机直接安装在车轮内部。
这一设计使得动力、传动以及制动装置得以高度集成，从而显著简化了电动车辆的机械构造。尽管轮毂电机技术并非近现代的创新，但其历史可追溯至1896年，当时费迪南德·保时捷荣获了英国的轮毂电机发明专利，标志着装备轮毂电机的电动车的诞生。在随后的1900年，人类已经成功制造出前轮装备轮毂电机的电动汽车。进入20世纪70年代，这项技术进一步在矿山运输车等领域得到广泛应用。

日系汽车厂商在乘用车轮毂电机的研发上起步较早，目前处于行业领先地位。通用、丰田等国际汽车巨头也纷纷涉足该领域。轮毂，作为轮胎内支撑轮胎的金属部件，其造型设计、材料选择以及尺寸大小都会影响到轮毂电机的性能和整车的设计。

在19世纪末至20世纪初的时期，轮辋、轮毂以及辐条逐渐通过铸造工艺融合成一个整体，这使得轮毂的样式发生了显著的变化，最终演变成了我们现在所熟知的钢轮毂。钢轮毂以其沉重的质地和朴实的外观为特点，且配色相对单一，随着汽车工业的飞速发展，其与日益多样化的外观设计逐渐显得不协调。
20世纪30年代，德国人在技术上取得了重大突破，这为铝合金轮毂的进一步发展打下了坚实基础。到了1958年，整体铸造的铝合金轮毂问世，如今，市面上多数车型都已配备了这种铝合金轮毂。铝合金轮毂不仅造型更加多样化，而且重量轻，相较于传统的钢轮毂，其性能有了显著的提升。

虽然轮毂的设计样式和类型各有差异，但它们的基本构成是相似的，主要由轮辋与轮辐共同组成。此外，轮毂还涉及到众多参数，如边槽级别、称重级别、孔距、偏距以及宽度等。

介绍了轮毂的一些基础知识后，我们进一步探讨更高级的轮毂技术——轮毂电机。

轮毂电机，简而言之，就是安装在轮毂内部的电机。其显著特点包括：

显著简化车辆结构：传统车辆所需的离合器、变速器、传动轴、差速器等繁杂部件，在轮毂电机驱动下变得多余。这不仅减轻了车辆重量，还降低了维护需求和故障率。

高效空间利用与传动：采用轮毂电机驱动的车辆能更灵活地利用空间，同时传动效率也大幅提高。

灵活多样的驱动方式：轮毂电机的独立驱动特性，使得前驱、后驱乃至四驱等驱动形式变得轻而易举。全时四驱在轮毂电机车辆上实现轻而易举。

出色的差动转向能力：通过左右车轮的不同转速甚至反转，轮毂电机能实现类似履带式车辆的差动转向，显著减小转弯半径，甚至在特殊情况下可实现原地转向。

高度整合的技术典范：轮毂电机将动力、传动系统和制动装置一体化设计，极大地简化了电动车辆的机械部分，同时赋予了车辆多样化的驱动能力。

经过一个多世纪的发展，轮毂电机技术已逐渐淘汰了传统的有刷电机，取而代之的是高效率的无刷电机。通过直接测量电机反电动势感知转子位置，进行精准换相，使得启动前就能精确知道转子和定子的相对位置。同时，随着磁钢材料的不断创新，齿轮等传统机械部件正逐步被淘汰。轮毂电机技术日新月异，为车辆动力系统带来了革命性的变革。


轮毂电机，其外形虽大致相同，均为扁平型，但内在的电机类型、结构形式及驱动方式却差异显著。具体分类如下：

按电机类型来看，电动轮毂主要采用四大类电机，即永磁电机、异步电机、开关磁阻电机和横向磁通电机。其中，永磁电机因其成熟的技术和广泛的应用而备受瞩目，而横向磁通电机作为一种新型低速大扭矩电机，也展现出其独特的竞争力。

从结构形式来分，轮毂电机涵盖了径向磁场、轴向磁场和横向磁通三种基本类型。在运动方式上，则有内转子、外转子和双转子之分。其中，双转子结构颇具创新性，通过一组行星齿轮实现反向旋转，有效提升了磁场切割导体的速度。这种设计不仅为电机带来了更多的设计可能性，还有助于缓冲负载扰动、平抑冲击负荷，从而有效保护电池。

在驱动方式上，轮毂电机可分为直接驱动和间接驱动。直接驱动时，电机多采用外转子结构，转速较低；而间接驱动则多采用内转子结构，转速较高，通过行星轮加齿环机构实现减速驱动。此外，轮毂电机还有高速和低速之分，但具体范围会因应用对象的不同而有所差异。

以纯电轿车为例，其所采用的轮毂电机为外转子直接驱动方式。电机定子、转子及逆变器集成一体，由8个逻辑上的子电机组成，并通过算法实现各子电机的独立协同控制。这种“分布式”结构使得每个子电机的功率要求降低，从而可以采用小体积、低成本的功率电子器件，使得整个电机系统能够高度集成。
而通过对8个子电机进行巧妙的协同控制，可以有效地将各子电机输出的功率和扭矩进行叠加，从而为整个电机系统提供强劲的驱动力。同时，这种设计还具有很高的容错性，即使其中某个子电机发生故障，也不会导致整个汽车系统瘫痪。

轮毂电机驱动系统根据其转子形式，主要分为内转子型和外转子型两种结构。其中，外转子型轮毂电机以其结构简单、可靠性高、调速范围宽、输出转矩大、噪音低及效率高等诸多优点，已成为当前轮毂电机的主流结构。

在控制技术方面，轮毂电机主要采用无位置传感器控制技术。这种技术通过检测电机反电动势来推断转子的位置，进而驱动功率管进行换相。虽然磁传感器也可以用于检测转子位置，但在某些情况下，如极缓慢的转动，系统可能无法准确理解电机绕组反电动势的波形。因此，无位置传感器控制技术成为了主流选择。

此外，轮毂电机的工作原理也值得一提。其原理图显示，红色磁钢转子在死角位置时，需要通过蓝色磁钢转子上方的绕组通电来驱动其走出死角。而图2所示的电机设计则消除了死角问题，使得控制器能够更准确地驱动功率管。这种电机设计类似于直线电机的卷曲，通过绕组通电来引导磁钢转子持续转动，同时保持一定的距离，从而实现高效驱动。

在高速无刷轮毂电机的离合机构方面，采用了磁力手动齿轮离合技术。通过三个大而薄的2模钢齿轮减速来获得所需动力。需要滑行时，偏心离合手柄会拉动轴心离合传动的轴、活塞及拉钩，使电机齿轮与传动齿轮分离。而不需滑行时，利用电机磁力即可实现齿轮手动啮合，其离合机构简单且省去了超越离合器。

1. 反电势法

反电势法是轮毂电机控制中最成熟、最有效且常用的方法。其核心原理在于，通过检测反电动势过零信号，并经过30°电角度的延时，来生成功率管的开关信号。值得注意的是，在电机静止或低速转动时，反电势信号可能并不明显或较为微弱。因此，反电动势法通常与“三段式”启动技术相结合，以确保在各种工况下都能实现稳定的控制。

2. 继流二极管法

继流二极管法是另一种轮毂电机控制中常用的方法。它通过检测逆变桥功率开关管上反并联的继流二极管的导通状态，来间接确定转子的位置。这种方法在电机控制中具有一定的应用价值，特别是在某些特定工况下，能够提供稳定的转子位置信息。

3. 电感法

电感法是轮毂电机控制中的另一种重要方法。它通过监测绕组电感随转子位置的变化，并经过相应的计算处理，从而获取转子的精确位置信号。这种技术在一定程度上提高了电机控制的精度和稳定性。

4. 状态观测器法

该方法通过将电机的三相电压和电流作为坐标，运用派克方程来估算转子的位置。由于这种方法仅考虑基波分量，因此特别适用于正弦波反电动势的永磁无刷直流电动机。

5.（1）转矩脉动抑制

在理想情况下，永磁无刷直流电动机的三相绕组应对称，气隙磁场为方波，定子电流也为方波，反电动势则为梯形波。然而，在实际运行中，由于多种因素，电机总会产生转矩脉动。这些脉动可能由电磁相互作用、电流换向或齿槽效应引起。针对这些脉动，可以采取多种抑制方法，如电机优化设计、最佳开通角控制、谐波消除以及转矩闭环控制等。

6.（2）弱磁扩速

当永磁体励磁保持恒定时，电机在基速以下可以通过PWM调制实现调压调速。然而，在基速及以上运行时，由于端电压已达到最大值，随着转速的进一步提高，电机反电势将增大，导致电枢电流减小。当反电势与端电压相等时，电枢电流将为零，从而无法产生电磁转矩，使电机停转。为了在基速以上保持一定的电枢电流并产生电磁转矩，需要实施弱磁控制。但需要注意的是，传统的弱磁控制策略不适用于方波无刷直流电机，因此需要探索新的控制方法。
通过提前开通功率器件，可以使绕组的变压器反电势与旋转反电势部分相抵消，从而维持电压平衡，实现有效的弱磁控制。目前，恒功率弱磁调速的范围大约能达到基速的2.8倍左右。此外，还存在多种调速方式，包括：
1）脉宽调制（PWM）：保持频率稳定，同时调整脉宽，以实现不同的输出效果。
2）频率调制：脉宽保持不变，而频率则可根据需求进行变化。
3）限流控制方式：脉宽和频率均可灵活调整，如图23所示。

接下来，我们将探讨轮毂电机的应用前景。
能源危机与环保压力日益加大，电动汽车因此成为全球汽车行业的共同战略选择。在此背景下，高性能轮毂电机及其精准控制系统，不仅成为电气工程领域的研究热点，更被视为电动汽车发展的关键方向。随着轮毂电机技术的不断进步，以及电池、动力控制等相关技术的突破，其在电动汽车上的应用前景愈发广阔。

新能源汽车市场在政策推动下迅猛发展，今年前10个月销量已达33.7万辆，同比增长82.2%，其中纯电动汽车销售更是大增102.5%。这一市场繁荣不仅带动了新能源汽车零部件技术的创新，更吸引了大量资金投入。

回顾新能源汽车动力系统的发展历程，我们可以清晰地看到三代技术的演变：从早期的中央电机集中驱动，到轮边电机技术，再到如今的轮毂电机技术。相比前两代技术，轮毂电机以其高效、节能、轻量化和小型化等显著优势，有望解决新能源汽车的成本和能耗问题，成为未来的行业趋势。

有专家甚至认为，轮毂电机技术堪称纯电动汽车的终极解决方案。它改变了传统的中央式驱动模式，通过将动力、传动和制动装置整合到轮毂内，实现了发动机、变速机的一体化设计，从而将机械驱动转化为电驱动。这种驱动方式直接而高效，类似于乔布斯所倡导的点击屏幕用手指而非触屏笔的理念。