永磁輪轂電機(jī)技術(shù)發(fā)展綜述

關(guān) 濤 劉大猛 何永勇

永磁輪轂電機(jī)技術(shù)發(fā)展綜述

關(guān) 濤 劉大猛 何永勇

（高端裝備界面科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)機(jī)械工程系） 北京 100084）

電傳動(dòng)技術(shù)是車輛實(shí)現(xiàn)全電化的重要基礎(chǔ)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)車輛的動(dòng)力核心，而輪轂電驅(qū)系統(tǒng)是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的終極驅(qū)動(dòng)形式，輪轂電機(jī)的性能在輪轂電驅(qū)系統(tǒng)中具有決定性作用。首先，該文介紹了輪轂電驅(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)不同磁場(chǎng)類型的輪轂電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析；其次，調(diào)研了目前市場(chǎng)主流輪轂電機(jī)產(chǎn)品的性能參數(shù)，為輪轂電機(jī)的研發(fā)提供參考目標(biāo)；然后，針對(duì)輪轂電機(jī)高功率/轉(zhuǎn)矩密度、寬轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍、高運(yùn)行效率和高可靠性等需求，分別調(diào)研了徑向磁場(chǎng)、軸向磁場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)等不同類型的永磁輪轂電機(jī)的研究現(xiàn)狀；最后，展望了不同磁場(chǎng)類型的永磁輪轂電機(jī)的發(fā)展方向。

動(dòng)力系統(tǒng) 電動(dòng)汽車 輪轂電機(jī)系統(tǒng) 輪轂電機(jī)

0 引言

隨著人們對(duì)環(huán)保越來(lái)越重視，新能源汽車的發(fā)展和興起成為了必然趨勢(shì)。根據(jù)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(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、氫能源汽車、純電電動(dòng)汽車和其他新能源汽車，例如，超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能等高效儲(chǔ)能汽車等。

在各種類型新能源汽車中，純電電動(dòng)汽車以其安全、可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和無(wú)污染的綜合優(yōu)勢(shì)成為主要發(fā)展的新能源汽車。相對(duì)于傳統(tǒng)的燃油車，電動(dòng)汽車具有機(jī)動(dòng)性好、空間大、能源利用率高、總體布置和集成簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。純電的電動(dòng)汽車相當(dāng)于分布式的蓄電池，有利于電網(wǎng)調(diào)峰[5]。

電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)的布置形式主要有三種：集中、輪邊和輪轂驅(qū)動(dòng)形式[6]。集中驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的基礎(chǔ)上，利用電驅(qū)系統(tǒng)取代燃油車中的內(nèi)燃機(jī)，安裝工藝成熟，運(yùn)行時(shí)可靠性高，其缺點(diǎn)是底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高，車內(nèi)的有效使用空間有限，傳動(dòng)效率低。輪邊驅(qū)動(dòng)，是從集中驅(qū)動(dòng)到輪轂驅(qū)動(dòng)的中間過(guò)渡過(guò)程，其相對(duì)于集中驅(qū)動(dòng)，集成度略有提高、傳動(dòng)效率提高、整車質(zhì)量減小、布置更合理。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是先進(jìn)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)[7]，將電機(jī)、減速器和制動(dòng)器集成，安裝到輪輞內(nèi)，使得車輪本身就是一個(gè)動(dòng)力單元，簡(jiǎn)化了車輛的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，便于在車內(nèi)安裝更多的電池組，且增加車輛內(nèi)部空間。分布式驅(qū)動(dòng)整車市場(chǎng)，主要有日本豐田的e-RACER和SLM-DRIVE、德國(guó)奔馳E系列和寶馬x6、美國(guó)福特的F150和嘉年華、中國(guó)的比亞迪K9和奇瑞瑞麟。

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是大幅度提高整車?yán)寐?，降低?dòng)力系統(tǒng)損耗，實(shí)現(xiàn)根據(jù)地形對(duì)各個(gè)車輪分配轉(zhuǎn)矩及將更多的新能源技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。由于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也存在著一些問(wèn)題，包括簧下質(zhì)量大、影響整車操控；輪轂電機(jī)系統(tǒng)需要電動(dòng)真空泵來(lái)提供剎車助力，制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)電動(dòng)真空泵需要保持工作狀態(tài)，持續(xù)的對(duì)電池的電能進(jìn)行消耗；輪轂電機(jī)系統(tǒng)具有較高的功率密度，同時(shí)其損耗功率相對(duì)較高，工作空間有限不利于系統(tǒng)散熱；輪轂電機(jī)系統(tǒng)工作系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜多變，為了提高可靠性，對(duì)系統(tǒng)密封有較高的要求。2020年，工業(yè)和信息化部以及汽車工程學(xué)會(huì)針對(duì)提高輪轂電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩/功率密度的計(jì)劃，發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，該路線圖中計(jì)劃2025年輪轂電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到20 N·m/kg或功率密度要達(dá)到5 kW/kg，2030年輪轂電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到24 N·m/kg或功率密度要達(dá)到6 kW/kg，2035年輪轂電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到30 N·m/kg或功率密度要達(dá)到7 kW/kg。因此，高轉(zhuǎn)矩和高功率密度輪轂電機(jī)技術(shù)的突破和創(chuàng)新是發(fā)展輪轂電機(jī)必須解決的問(wèn)題。

輪轂電機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)具有高集成度的系統(tǒng)，主要包括驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和承載等幾部分，其對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要要求是軸向尺寸短、功率/轉(zhuǎn)矩密度高、調(diào)速范圍寬、高可靠性、高過(guò)載能力、高效率。根據(jù)電機(jī)的工作原理，其結(jié)構(gòu)主要有四種，分別為永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM）、直流電機(jī)、異步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻，表1為應(yīng)用在電動(dòng)汽車領(lǐng)域中不同種類電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)輪轂電機(jī)的要求，四種電機(jī)結(jié)構(gòu)中永磁電機(jī)成為輪轂電機(jī)的主流技術(shù)，在未來(lái)必然獲得更大的發(fā)展。

表1 不同種類的輪轂電機(jī)比較

Tab.1 Comparison of different types of hub motors

本文首先對(duì)輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成方式以及輪轂電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析；然后基于輪轂電機(jī)高功率密度、高效率、寬調(diào)速范圍和高可靠性的特點(diǎn)，調(diào)研了新工藝、新材料永磁電機(jī)和不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀；最后展望了輪轂電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)與前景。

1 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，輪轂電機(jī)系統(tǒng)可分為減速驅(qū)動(dòng)型和直驅(qū)型兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示[8]，兩種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表2。電機(jī)的體積與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩有關(guān)，在電機(jī)常數(shù)相同的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩越大體積越大，反之電機(jī)體積越小。減速驅(qū)動(dòng)型輪轂電機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)在電機(jī)與車輪之間安裝減速器，在電機(jī)功率不變的前提下，提升電機(jī)轉(zhuǎn)速降低電機(jī)的體積，提高電機(jī)的功率密度，目前該種驅(qū)動(dòng)方式電機(jī)轉(zhuǎn)速可以高達(dá)10 000 r/min。為了降低電機(jī)轉(zhuǎn)子線速度，一般選擇內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)。直驅(qū)式輪轂電機(jī)系統(tǒng)，將電機(jī)與車輪直接相連，輪轂電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1 000～1 500 r/min，省略了減速器，提高了系統(tǒng)的效率，但是較低的運(yùn)行轉(zhuǎn)速增加了起動(dòng)電流，容易引起電機(jī)過(guò)熱，降低電機(jī)可靠性，且車輪尺寸限制了輪轂電機(jī)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩，為了在有限的體積下提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩，輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)一般采用外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)。隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn)，相對(duì)于直驅(qū)型輪轂電機(jī)系統(tǒng)，減速驅(qū)動(dòng)型輪轂電機(jī)系統(tǒng)更具競(jìng)爭(zhēng)力。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提高，高速電機(jī)應(yīng)用于減速驅(qū)動(dòng)型輪轂電機(jī)系統(tǒng)成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。

（a）減速驅(qū)動(dòng) （b）直接驅(qū)動(dòng)

圖1 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式示意圖

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

表2 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式比較

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

永磁電機(jī)根據(jù)磁場(chǎng)的方向主要分為三類：徑向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)和橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。文獻(xiàn)[9]對(duì)不同磁場(chǎng)方向的電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表3，雖然軸向磁通電機(jī)和橫向磁通電機(jī)在功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和軸向長(zhǎng)度上有優(yōu)勢(shì)，但是徑向磁通電機(jī)工藝程度、設(shè)計(jì)方法和成本等其他方面優(yōu)勢(shì)明顯，仍是輪轂電機(jī)主要采用的電機(jī)類型。

（a）徑向磁通電機(jī)

（b）軸向磁通電機(jī) （c）橫向磁通單機(jī)

圖2 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)形式

Fig.2 Structure form of in-wheel motor

NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能是車用輪轂電機(jī)一個(gè)重要性能參數(shù)。目前，形成產(chǎn)品的電機(jī)主要是徑向磁通電機(jī)和軸向磁通電機(jī)，橫向磁通電機(jī)主要處于研發(fā)階段。文獻(xiàn)[10]主要對(duì)徑向磁通電機(jī)和軸向磁通電機(jī)的性能進(jìn)行了對(duì)比，相較于徑向磁場(chǎng)電機(jī)，軸向磁場(chǎng)電機(jī)具有更低的反電動(dòng)勢(shì)總諧波畸變率，運(yùn)行時(shí)有更低的紋波轉(zhuǎn)矩，但是其齒槽轉(zhuǎn)矩較高。紋波轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩構(gòu)成了永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，因此，在進(jìn)行轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需針對(duì)不同電機(jī)類型對(duì)重點(diǎn)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行選擇以及優(yōu)化權(quán)重的配置。

表3 不同磁場(chǎng)類型的永磁電機(jī)對(duì)比

2 輪轂電機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)和德國(guó)最早針對(duì)輪轂電機(jī)展開(kāi)研究[11-12]，進(jìn)入21世紀(jì)，輪轂電機(jī)的研發(fā)工作在全球興起。目前，國(guó)外技術(shù)比較先進(jìn)的輪轂電機(jī)研制企業(yè)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(xiàn)階段國(guó)外輪轂電機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)比較。

表4 國(guó)外輪轂電機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)比較

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

Protean輪轂電機(jī)均為外轉(zhuǎn)子直驅(qū)方案。Protean公司研發(fā)的第四代輪轂電機(jī)，型號(hào)為Pd18，適用于18 in輪輞，其峰值功率和峰值轉(zhuǎn)矩分別可以達(dá)到80 kW和1 250 N·m，該電機(jī)的質(zhì)量為36 kg，峰值轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，其轉(zhuǎn)矩密度可以達(dá)到34.7 N·m/kg，功率密度高達(dá)2.22 kW/kg，并且驅(qū)動(dòng)效率和制動(dòng)效率最高可分別達(dá)到93%以上和91%以上[13]。

法國(guó)TM4公司設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其將電機(jī)的轉(zhuǎn)子、輪輞和和制動(dòng)器進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，大幅度提高了輪轂電機(jī)的集成度，有效地降低了輪轂電機(jī)的總體質(zhì)量。該輪轂電機(jī)的額定功率和峰值功率分別為18.5 kW和80 kW，額定轉(zhuǎn)速為950 r/min，峰值轉(zhuǎn)速高達(dá)1 385 r/min，額定工況下的平均效率可達(dá)96.3%[14]。

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

舍弗勒公司重點(diǎn)研發(fā)的輪轂電機(jī)類型為減速驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)，具有集成度高的特點(diǎn)，其研發(fā)的第四代產(chǎn)品主要針對(duì)A0級(jí)小型汽車，最小可以應(yīng)用于14 in的輪輞。該公司研發(fā)的某款輪轂電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)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(guò)承載結(jié)構(gòu)及整體優(yōu)化、電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化，我國(guó)的輪轂電機(jī)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)輪轂電機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)比較見(jiàn)表5。

表5 國(guó)內(nèi)輪轂電機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)比較

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

3 新型徑向磁通電機(jī)研究現(xiàn)狀

隨著電機(jī)領(lǐng)域新原理、新材料和電機(jī)加工工藝的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的新型電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和新工藝被提出和應(yīng)用，有利于突破傳統(tǒng)輪轂電機(jī)的部分瓶頸問(wèn)題。

3.1 傳統(tǒng)三相永磁同步電機(jī)

3.1.1 新工藝

輪轂電機(jī)高度集成在具備諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)帶來(lái)電機(jī)運(yùn)行空間小和空氣流動(dòng)困難的問(wèn)題，致使電機(jī)散熱條件差[17-19]，使得電機(jī)運(yùn)行可靠性受到一定影響[20]。輪轂電機(jī)的散熱系統(tǒng)限制了電機(jī)極限輸出性能，主要的解決方法有兩個(gè)，分別為提高冷卻系統(tǒng)的散熱效率和提高電機(jī)內(nèi)部各個(gè)零部件之間的熱傳導(dǎo)效率。

河南科技大學(xué)周志剛等針對(duì)外轉(zhuǎn)子永磁輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)具有不同冷卻源切換功能的冷卻結(jié)構(gòu)。該冷卻結(jié)構(gòu)根據(jù)電機(jī)的內(nèi)部溫度變化，依據(jù)不同冷卻液的特性自動(dòng)切換冷卻液供給，包括水冷、油冷、混合冷，使得電機(jī)達(dá)到較好的冷卻效果[21]。為了給電機(jī)冷卻系統(tǒng)采用冷卻液形式提供參考依據(jù)，該團(tuán)體分析了冷卻方式對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的冷卻效果，同時(shí)分析了不同濃度的乙二醇水溶液對(duì)兩種結(jié)構(gòu)輪轂電機(jī)散熱的影響[22]。

上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司聯(lián)合上海大學(xué)研制出第三代直驅(qū)式輪轂電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩密度和功率密度分別達(dá)到了21.3 N·m/kg和2.2 kW/kg，與Protean公司產(chǎn)品的總成功率密度達(dá)到同一水平。研制中采用四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中包括：拼塊鐵心技術(shù)，拼接方案如圖3所示，降低車本，提高電機(jī)散熱能力；低熱阻絕緣結(jié)構(gòu)，增加了定子槽內(nèi)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(shè)計(jì)，提高槽滿率，降低電機(jī)的電阻和槽內(nèi)熱阻；一體化灌封工藝，采用高導(dǎo)熱灌封材料，提高定子繞組與機(jī)殼之間的傳熱效率，增加剛度，降噪，且提高耐候性。這些關(guān)鍵技術(shù)旨在提高電機(jī)的散熱能力[23]。

圖3 常見(jiàn)幾種拼塊方式

輪轂電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩密度和過(guò)載能力方面的性能要求很高，且輪轂電機(jī)的工作環(huán)境惡劣，電機(jī)繞組作為電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫度最高的零部件，其工藝要求非常高。目前，比較先進(jìn)的繞組工藝是扁線工藝，相比圓線電機(jī)具有高效區(qū)面積變大、功率密度提高、NVH下降、電機(jī)繞組端部變短的特點(diǎn)。扁線電機(jī)最早發(fā)布于美國(guó)，其扁線技術(shù)和工藝不斷改進(jìn)，扁線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。2017年，GM公司發(fā)布了最新一代的扁線電機(jī)BEV-Chevrolet Blot。該電機(jī)相比于之前的版本轉(zhuǎn)速提升近2倍，電機(jī)功率密度得到提高，并且采用增加導(dǎo)體根數(shù)的方法抑制電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)交流電阻上升問(wèn)題，每槽導(dǎo)體數(shù)從之前的4根增加到了6根[24-25]。Blot電機(jī)槽內(nèi)線與線之間的絕緣被取消，增加了槽內(nèi)的銅滿率，提高電機(jī)線負(fù)荷，進(jìn)而提高電機(jī)功率密度。豐田Prius的扁線電機(jī)技術(shù)是日本電裝Denso為其提供的。Prius2017電機(jī)繞組采用扁線結(jié)構(gòu)，每槽內(nèi)放置的導(dǎo)體數(shù)達(dá)到8根，繞組端部為“階梯形”結(jié)構(gòu)。天津松正純電動(dòng)系統(tǒng)的390/290系列發(fā)卡電機(jī)采用發(fā)卡式繞組工藝，產(chǎn)品技術(shù)成熟，體積小、質(zhì)量輕，達(dá)到或接近國(guó)家2025技術(shù)指標(biāo)。

圖4 Bolt扁線電機(jī)結(jié)構(gòu)

3.1.2 新材料

相比于新工藝，新材料在電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能更有效地提高電機(jī)散熱能力、功率密度和效率。

氧化鋁@石墨烯/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料不僅具有絕緣性能，同時(shí)具有相對(duì)較高的導(dǎo)熱性功能，將該材料應(yīng)用到輪轂電機(jī)中作為絕緣材料，電機(jī)的導(dǎo)熱性能將得到大幅度提升，有效降低電機(jī)定子鐵心的溫度[26]。

目前，針對(duì)重型車輛應(yīng)用的輪轂電機(jī)產(chǎn)品，技術(shù)路線均采用輪轂電機(jī)加減速器的方案，提高電動(dòng)輪整體的轉(zhuǎn)矩密度。為了提高輪轂電機(jī)的功率密度，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，導(dǎo)致電機(jī)頻率越來(lái)越高。非晶合金材料以其在高頻下低損耗的特性，在一些領(lǐng)域逐漸被廣泛應(yīng)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(xué)的朱健等[28]采用傳統(tǒng)硅鋼片材料和非晶合金材料研制了一臺(tái)18 kW永磁同步電機(jī)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在高速運(yùn)行時(shí)非晶合金電機(jī)的運(yùn)行效率高于傳統(tǒng)的硅鋼片電機(jī)，但在低速運(yùn)行情況優(yōu)勢(shì)較小，主要是因?yàn)槠浞蔷Ш辖饘?dǎo)磁性能弱于硅鋼片。

3.2 永磁記憶輪轂電機(jī)

輪轂電機(jī)既需要低速大轉(zhuǎn)矩，又需要高速高功率，這兩個(gè)指標(biāo)相互矛盾，很難同時(shí)滿足。永磁記憶電機(jī)利用高剩磁低矯頑力永磁材料的不可逆退磁的特性，通過(guò)調(diào)節(jié)d軸電流脈沖控制永磁的剩磁，實(shí)現(xiàn)在線對(duì)永磁體進(jìn)行調(diào)磁。輪轂電機(jī)在全速域內(nèi)，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速對(duì)永磁體實(shí)施不同程度的磁化，從而整體提高電機(jī)運(yùn)行性能。

目前，現(xiàn)存的記憶電機(jī)作為輪轂電機(jī)使用仍存在一些問(wèn)題：轉(zhuǎn)矩密度很難達(dá)到釹鐵硼稀土永磁電機(jī)的水平；輪轂電機(jī)要求具有較高的過(guò)載能力，如果磁路設(shè)計(jì)不合理時(shí)容易出現(xiàn)退磁的風(fēng)險(xiǎn)；在線調(diào)磁控制，引入了勵(lì)磁損耗，增加了電機(jī)的溫升，且降低了系統(tǒng)效率。

記憶電機(jī)大體可以分為兩類：交流脈沖調(diào)磁型永磁電機(jī)，電機(jī)定子繞組同時(shí)兼具驅(qū)動(dòng)和控制兩種功能，基于矢量控制方式調(diào)節(jié)永磁體剩磁；直流脈沖調(diào)磁型永磁電機(jī)，電機(jī)有兩套繞組分別為驅(qū)動(dòng)繞組和調(diào)磁繞組，其通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小和方向?qū)τ来朋w的磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，目前研究主要集中在雙凸極電機(jī)上[29]。

交流脈沖調(diào)磁型記憶電機(jī)主要有單一永磁型和混合永磁型電機(jī)兩種。加拿大康考迪亞大學(xué)M. Ibrahim等[30]提出了一種新型的含鋁鎳鈷磁體的變磁通電機(jī)，該電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以具有聚磁功能的切向充磁永磁電機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)在轉(zhuǎn)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(chǎng)飽和提高控制電樞d軸電流脈沖調(diào)節(jié)永磁體剩磁的能力的技術(shù)手段，并結(jié)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(jī)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩密度和在較寬的速度范圍內(nèi)都具有較高的運(yùn)行效率。

英國(guó)謝菲爾德大學(xué)諸自強(qiáng)等[31]提出了一種新型的永磁記憶電機(jī)，該電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路由釤鈷永磁體和釹鐵硼永磁體串聯(lián)而成，其轉(zhuǎn)矩密度可以達(dá)到80 kN·m/m3。圖5所示為該電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)利用磁阻轉(zhuǎn)矩獲得高的轉(zhuǎn)矩密度，同時(shí)利用永磁體的退磁特性，并結(jié)合定子d軸電流對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得電機(jī)在不同的工作點(diǎn)都可以獲得較高的效率。

直流脈沖調(diào)磁型記憶電機(jī)主要的研究方向是雙凸極記憶電機(jī)，該電機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式也可以分為單一永磁型和混合永磁型電機(jī)。香港大學(xué)的鄒國(guó)棠團(tuán)隊(duì)基于記憶電機(jī)和雙凸極電機(jī)的原理提出了單一勵(lì)磁型雙凸極記憶電機(jī)（Permanent Magnet Doubly Salien Mnemonic Machine，PM DSMM），結(jié)構(gòu)如圖6所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為實(shí)心凸極外轉(zhuǎn)子，適合實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行且容易與減速器集成設(shè)計(jì)。電機(jī)定子電樞采用五相繞組分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，降低電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，削弱反電動(dòng)勢(shì)中的高次諧波，提高電機(jī)容錯(cuò)性能。電機(jī)采用單獨(dú)的勵(lì)磁繞組，同時(shí)永磁體在定子上，提高了電機(jī)的調(diào)磁效率，并且降低了電機(jī)控制的復(fù)雜程度，減少了調(diào)磁時(shí)的功率損耗。該團(tuán)隊(duì)研制了一款樣機(jī)，電機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表6，電機(jī)弱磁倍數(shù)可以達(dá)到4，大幅提高了永磁電機(jī)的弱磁能力[32]。

圖5 徑向串聯(lián)混合永磁電機(jī)

圖6 單一勵(lì)磁型雙凸極記憶電機(jī)

表6 電機(jī)主要參數(shù)

Tab.6 Key design data of motor

文獻(xiàn)[33]提出了一種基于NdFeB和AlNiCo的混合勵(lì)磁雙凸極記憶電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖7所示，由NdFeB提供主要?dú)庀洞磐浚珹lNiCo負(fù)責(zé)輔助調(diào)磁的作用。研制了一臺(tái)樣機(jī)，額定功率1.2 kW，轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍0～4 000 r/min，當(dāng)處于起動(dòng)階段繞組電流不變的情況下，通過(guò)給AlNiCo增磁，輸出轉(zhuǎn)矩提升了50%。

圖7 混合勵(lì)磁型雙凸極記憶電機(jī)

3.3 永磁游標(biāo)輪轂電機(jī)

為了進(jìn)一步提高直驅(qū)型輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，引入了磁場(chǎng)調(diào)制技術(shù)的概念，磁場(chǎng)調(diào)制技術(shù)起源于磁性齒輪[34-37]。永磁游標(biāo)電機(jī)就是基于磁場(chǎng)調(diào)制原理研制的，結(jié)構(gòu)如圖8所示。永磁游標(biāo)電機(jī)的等效極對(duì)數(shù)多，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，并且具有更低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但是作為輪轂電機(jī)使用時(shí)仍有一定的問(wèn)題待解決，例如磁場(chǎng)復(fù)雜加劇了鐵心損耗和永磁體渦流損耗，功率因數(shù)低使得供電電源的成本增加，永磁體能耗大，電機(jī)屬于永磁電機(jī)，存在調(diào)速范圍受限的問(wèn)題。

圖8 永磁游標(biāo)電機(jī)結(jié)構(gòu)

浙江大學(xué)俞東將分裂齒永磁游標(biāo)電機(jī)與外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不僅提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，而且相比于單齒的游標(biāo)電機(jī)，減小了繞組電阻，提高了電機(jī)效率，在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)中具有較好的應(yīng)用前景。同時(shí)，其將采用內(nèi)置V型永磁體轉(zhuǎn)子，并將電機(jī)定轉(zhuǎn)子不等長(zhǎng)（overhang）的結(jié)構(gòu)引入電機(jī)結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)矩比定轉(zhuǎn)子等長(zhǎng)結(jié)構(gòu)高了26.4%，轉(zhuǎn)矩與電機(jī)有效部分體積之比達(dá)到了21.6 N·m/L[38]。

江蘇大學(xué)研制了一臺(tái)功率2.6 kW，額定轉(zhuǎn)速316 r/min的游標(biāo)電機(jī)。該電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁路采用內(nèi)置V型轉(zhuǎn)子，并且轉(zhuǎn)子在定子側(cè)表面采用與永磁體數(shù)量相等的虛擬槽，該結(jié)構(gòu)通過(guò)降低永磁體極間的漏磁，提高電機(jī)氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，并且通過(guò)采用合適的極槽配合，利用磁場(chǎng)諧波進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩和效率[39]。

江蘇大學(xué)劉新波提出了混合勵(lì)磁游標(biāo)輪轂電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖9所示[40]。該電機(jī)繼承了常規(guī)外轉(zhuǎn)子游標(biāo)電機(jī)的低速大轉(zhuǎn)矩的特性，功能性繞組可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，電機(jī)具備兩套繞組，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，電機(jī)電樞繞采用集中繞組，提高了電機(jī)槽內(nèi)銅滿率，降低了繞組端部長(zhǎng)度，進(jìn)而提高了電機(jī)效率。

3.4 輕稀土和無(wú)稀土永磁電機(jī)

每臺(tái)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛中需要多臺(tái)輪轂電機(jī)，相比于集中驅(qū)動(dòng)型車輛在成本方面處于劣勢(shì)。為了降低輪轂電機(jī)成本和對(duì)稀土這種國(guó)家戰(zhàn)略物資的消耗，通過(guò)降低永磁體中稀土的含量，實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)輕稀土化甚至無(wú)稀土化[41]。但相比于傳統(tǒng)的稀土永磁電機(jī)，該類電機(jī)作為輪轂電機(jī)有幾點(diǎn)不足，磁體中較低的剩磁和較低的矯頑力，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和可靠性低于稀土永磁電機(jī)，增加了設(shè)計(jì)難度和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

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

少稀土永磁電機(jī)是通過(guò)采用鐵氧體替代部分稀土永磁材料，進(jìn)而降低稀土永磁材料用量，或者增加磁阻轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)中的占比減少稀土永磁體用量[42]。江蘇大學(xué)汪雪將混合永磁材料與具有聚磁效應(yīng)的輪輻式轉(zhuǎn)子相結(jié)合，研制了一臺(tái)功率為5 kW少稀土永磁無(wú)刷電機(jī)，如圖10所示，電機(jī)可以進(jìn)行2～3倍過(guò)載，滿足電動(dòng)汽車頻繁起停的車況要求。電機(jī)永磁體采用釹鐵硼和鐵氧體結(jié)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(lián)，較單獨(dú)使用鐵氧體時(shí)不僅提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)提高了電機(jī)的抗退磁能力[43]。

圖10 少稀土輪輻式永磁無(wú)刷電機(jī)

根據(jù)磁障轉(zhuǎn)子的高凸極比的特性，日本東北大學(xué)的S. Ishii等[44]提出了組合勵(lì)磁外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖11所示，靠近定子側(cè)為稀土永磁體，遠(yuǎn)離定子的永磁體為鐵氧體。該電機(jī)相比于普通外轉(zhuǎn)子V字型稀土永磁電機(jī)稀土用量減少50%，降低了成本，同時(shí)轉(zhuǎn)矩提升了1.21倍，其轉(zhuǎn)矩提升主要是增加了電機(jī)的凸極比。

圖11 磁障式外轉(zhuǎn)子少稀土永磁電機(jī)

基于一字型內(nèi)置永磁同步電機(jī)，A. Yamada等[45]提出了兩種新結(jié)構(gòu)少稀土永磁電機(jī)，如圖12所示。模型1的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到普通型永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩的91.6%，且其稀土材料用量減少了超過(guò)50%。模型2輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)到96.3%普通永磁電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，極限轉(zhuǎn)速可以超過(guò)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(jī)

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

輕稀土永磁電機(jī)的另一種技術(shù)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(wú)Dy釹鐵硼技術(shù)，該種材料由于不含Dy元素，導(dǎo)致永磁體的剩磁或矯頑力其中一項(xiàng)參數(shù)很低。永磁電機(jī)可以通過(guò)采用spoke等聚磁結(jié)構(gòu)，達(dá)到與常規(guī)永磁電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅躘46]。

比輕稀土更近一步的是無(wú)稀土，主要技術(shù)方向有兩個(gè)，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(jī)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩主要由磁阻轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)；開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，完全不需要磁體。針對(duì)鐵氧體助磁的同步磁阻電機(jī)，提升永磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有兩種方案，分別是提升電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩。

為了提高無(wú)稀土永磁電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩，W. Kakihara等[47]采用具有聚磁功能的spoke型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和提高電機(jī)鐵氧體用量的方案。由于鐵氧體的矯頑力較低，該電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要提高電機(jī)抗退磁能力。為了提高電機(jī)的抗退磁能力，主要采取了以下幾種方法：通過(guò)增加電機(jī)旁路漏磁減少穿過(guò)永磁體的退磁磁通；通過(guò)降低d軸磁導(dǎo)，提高電機(jī)的凸極比，提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力；采用分布繞組，降低電機(jī)d軸電感；采用定轉(zhuǎn)子鐵心不等長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)永磁體凸出轉(zhuǎn)子鐵心的結(jié)構(gòu)，在提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，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(biāo)0.5%，且最大轉(zhuǎn)矩超過(guò)目標(biāo)值。

以2003豐田普銳斯電機(jī)指標(biāo)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，日本大阪府立大學(xué)S. Morimoto等[48]提出了一種新型的永磁同步磁阻電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖13所示。電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)基于磁障式磁阻轉(zhuǎn)子，在磁障中添加鐵氧體進(jìn)行助磁，提高了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。該電機(jī)轉(zhuǎn)子具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，可以承受較高的轉(zhuǎn)速。在抗退磁方面，通過(guò)電機(jī)磁橋和旁路為弱磁磁場(chǎng)提供磁通路徑，提高電機(jī)的抗退磁能力。

圖13 永磁輔助同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

無(wú)稀土永磁電機(jī)在提高磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，增加了電機(jī)凸極比以及永磁體用量，降低d軸電感，進(jìn)而降低了電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力，使得電機(jī)調(diào)速范圍變窄。為了克服非稀土永磁電機(jī)調(diào)速范圍窄的問(wèn)題，S. I. Kim等[49]提出了一種分列式輪輻狀鐵氧體電機(jī)，轉(zhuǎn)子基于傳統(tǒng)的輪輻結(jié)構(gòu)，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(jī)d軸電感強(qiáng)度，拓寬了電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍。

圖14 分列式spoke轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

3.5 定子勵(lì)磁型永磁電機(jī)

定子勵(lì)磁型永磁電機(jī)將轉(zhuǎn)子永磁體移到定子側(cè)，解決了常規(guī)輪轂電機(jī)永磁體冷卻困難的問(wèn)題，同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子為普通的凸極轉(zhuǎn)子，該類轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度高適合高速運(yùn)行。定子勵(lì)磁型永磁電機(jī)是基于開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)的工作原理提出的，導(dǎo)致繞組中存在較高的電流諧波，使得電機(jī)損耗增加，效率降低，以及電機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得車內(nèi)人員舒適度下降。

目前，國(guó)際上對(duì)這類電機(jī)的研究處于初步理論和樣機(jī)制作階段。國(guó)內(nèi)仍處于初期階段，且主要成果集中在參數(shù)計(jì)算和建模分析階段，實(shí)際應(yīng)用不多。根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，定子勵(lì)磁型永磁電機(jī)可分為磁通切換電機(jī)、定子永磁型混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)和磁通反向電機(jī)。

磁通切換電機(jī)，在1997年由法國(guó)學(xué)者E. Hoang等[50]提出，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖15a所示，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制。但是，在相同定子內(nèi)徑的條件下，電機(jī)的繞組和永磁體用量相互制約，限制了進(jìn)一步提高電機(jī)功率密度，并且由于定子鐵心的飽和程度較高，影響電機(jī)運(yùn)行性能。為了解決磁通切換電機(jī)中繞組與永磁體用量相互限制的問(wèn)題，Z. Q. Zhu 等[51]于2014年提出了定子分區(qū)結(jié)構(gòu)磁通切換電機(jī)，電機(jī)結(jié)合了雙定子電機(jī)和磁通切換電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，將磁通切換電機(jī)中的永磁放到內(nèi)定子上，充分利用了電機(jī)內(nèi)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(jī)

（b）定子分區(qū)電機(jī)

圖15 定子勵(lì)磁型永磁電機(jī)

Fig.15 Stator excitation type PM machine

定子永磁型混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，其定轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)雙凸極結(jié)構(gòu)，其中轉(zhuǎn)子為普通的凸極磁阻轉(zhuǎn)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(lì)磁繞組，其中與永磁體相鄰的槽中放入用于對(duì)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的電勵(lì)磁繞組，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，且在轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)具有較高的運(yùn)行效率[52]。

磁通反向電機(jī)結(jié)合了磁阻電機(jī)與永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型雙凸極永磁電機(jī)，電機(jī)定子鐵心齒表面安裝一對(duì)磁性相反的永磁體，轉(zhuǎn)子采用普通的凸極磁阻轉(zhuǎn)子，該電機(jī)具有適用于高轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、加工簡(jiǎn)單、功率密度高、電機(jī)時(shí)間常數(shù)小和便于換向[53]等優(yōu)點(diǎn)。

3.6 永磁容錯(cuò)電機(jī)

輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，通過(guò)分布式控制算法，將動(dòng)力分配到各個(gè)輪驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。因此，輪轂電機(jī)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出，相比集中驅(qū)動(dòng)的電機(jī)其需要更高的可靠性。永磁容錯(cuò)電機(jī)同時(shí)具備永磁電機(jī)的高功率密度和高的容錯(cuò)性，非常適合作為輪轂電機(jī)，值得深入研究。目前，永磁容錯(cuò)電機(jī)研究方向有兩個(gè)思想，一種基于冗余設(shè)計(jì)的思想，另一種基于多自由度的設(shè)計(jì)思想。

基于冗余設(shè)計(jì)的思想的永磁容錯(cuò)電機(jī)是通過(guò)采用多單元電機(jī)的方案實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)電機(jī)有多個(gè)子電機(jī)構(gòu)成，其中每個(gè)子電機(jī)可以獨(dú)立運(yùn)行，相互之間沒(méi)有電和磁的聯(lián)系，提高了電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的C. J. Ifedi等聯(lián)合Protean Electric公司[54]研制了一款多單元容錯(cuò)永磁輪轂電機(jī)，該電機(jī)是由8個(gè)獨(dú)立運(yùn)行子電機(jī)組成，在故障運(yùn)行時(shí)相比于傳統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)高出安全允許值的40%，該電機(jī)的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于允許值的20%。

基于多自由度的設(shè)計(jì)思想的永磁容錯(cuò)電機(jī)是通過(guò)采用多相以及容錯(cuò)繞組的方案實(shí)現(xiàn)的，利用相數(shù)的冗余度和容錯(cuò)繞組的電磁熱隔離能力提高電機(jī)系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，在控制上可以通過(guò)容錯(cuò)控制算法維持電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力和運(yùn)行性能。該類型的電機(jī)中五相電機(jī)具有較高的容錯(cuò)性能。針對(duì)五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的隋義[55]進(jìn)行了研究。在繞組方面，提出了單雙層混合式分?jǐn)?shù)槽繞組，每相繞組采用雙層結(jié)構(gòu)，相與相相鄰的槽采用單層繞組結(jié)構(gòu)，電機(jī)定子實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也降低相反電動(dòng)勢(shì)諧波，并且實(shí)現(xiàn)了不同相繞組之間的電、磁、熱及物理隔離。在開(kāi)路故障方面，對(duì)繞組開(kāi)路故障容錯(cuò)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)重構(gòu)圓形磁場(chǎng)和最大轉(zhuǎn)矩銅損比兩種容錯(cuò)控制策略進(jìn)行了分析。在短路故障方面，對(duì)短路故障分析和檢測(cè)方法進(jìn)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(chǔ)。研制出了一臺(tái)五相容錯(cuò)永磁電機(jī)，其峰值功率為24 kW，峰值轉(zhuǎn)矩為300 N·m，峰值轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，結(jié)構(gòu)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁路采用表貼式結(jié)構(gòu)，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的容錯(cuò)運(yùn)行控制。

對(duì)于容錯(cuò)電機(jī)，除了電機(jī)本身最重要的是故障發(fā)生后的檢測(cè)和控制。容錯(cuò)電機(jī)的控制策略研究主要集中在開(kāi)路故障[56-57]，然而，針對(duì)電機(jī)最嚴(yán)重的短路故障的研究有限，包括單相對(duì)地短路、相間短 路[58]、匝間短路和端部短路等，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，因此，針對(duì)短路故障還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

4 軸向磁通永磁電機(jī)研究現(xiàn)狀

對(duì)于輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其內(nèi)部空間有限，使得輪轂電機(jī)需要同時(shí)具有高功率密度、結(jié)構(gòu)緊湊、軸向尺寸短的特點(diǎn)。相比于徑向電機(jī)，軸向電機(jī)以其結(jié)構(gòu)扁平超薄、更高的轉(zhuǎn)矩密度、較好的散熱能力等特點(diǎn)，近幾年成為許多企業(yè)和大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究的熱點(diǎn)，表7為現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外軸向電機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)比較。

表7 軸向電機(jī)主要參數(shù)

Tab.7 Key design data of motor

根據(jù)定轉(zhuǎn)子數(shù)量，軸向電機(jī)可分為單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和多盤式結(jié)構(gòu)。目前，電驅(qū)動(dòng)行業(yè)集中采用雙定子單轉(zhuǎn)子和單定子雙轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)拓?fù)鋄59]。根據(jù)輪轂電機(jī)的特點(diǎn)，軸向磁通電機(jī)的研究應(yīng)該主要圍繞高功率密度、高效率、寬調(diào)速范圍和可靠性方面開(kāi)展。

4.1 高效率高功率密度

提高軸向磁通電機(jī)的功率密度和效率，主要基于降低電機(jī)損耗和質(zhì)量、增加電機(jī)極對(duì)數(shù)、提高電機(jī)轉(zhuǎn)速和提高電機(jī)散熱效率。

雙定子單轉(zhuǎn)子盤式電機(jī)（Axial-Flux Inner Rotor, AFIR）結(jié)構(gòu)如圖16所示，磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)永磁體和兩個(gè)定子鐵心實(shí)現(xiàn)閉合。雙定子有效提高了電機(jī)的電負(fù)荷，提升了電機(jī)的功率密度[60-61]。

單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)盤式電機(jī)（TORUS結(jié)構(gòu)），其定子在中間，轉(zhuǎn)子在兩側(cè)，定子繞組分別與兩側(cè)永磁體作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。根據(jù)兩個(gè)轉(zhuǎn)子N和S級(jí)相對(duì)位置，TORUS常見(jiàn)的排列方式是NS和NN型式。NS結(jié)構(gòu)盤式電機(jī)，由于其磁場(chǎng)特性，可以采用無(wú)軛結(jié)構(gòu)。無(wú)軛盤式電機(jī)（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(jī)鐵耗、定子鐵心質(zhì)量、繞組端部尺寸，增加了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度的同時(shí)提高了電機(jī)的運(yùn)行效率，結(jié)構(gòu)如圖17所示[62]。天津大學(xué)的王曉遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)提出了一種新型并聯(lián)磁路軸向磁通永磁電機(jī)，該電機(jī)定子與YASA結(jié)構(gòu)相同，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖18所示[63]。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)為電機(jī)增加了磁阻轉(zhuǎn)矩，聚磁和Halbach并聯(lián)結(jié)構(gòu)提高了電機(jī)氣隙磁密正弦度，相比于同等條件下的YASA電機(jī)，該電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度增加了9%，永磁體用量降低了38%，轉(zhuǎn)子損耗降低。

圖16 AFIR磁路結(jié)構(gòu)

圖17 YASA電機(jī)結(jié)構(gòu)

（a）左側(cè)轉(zhuǎn)子

（b）右側(cè)轉(zhuǎn)子

圖18 并聯(lián)磁路軸向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

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

為了提高電機(jī)的運(yùn)行效率，將應(yīng)用于聚焦粒子加速器的Halbach磁化概念引入電機(jī)設(shè)計(jì)中。軸向磁通電機(jī)中引入Halbach陣列永磁體結(jié)構(gòu)后，電機(jī)可以取消轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)，降低了電機(jī)的鐵心損耗和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[64-65]。

軸向磁通永磁游標(biāo)輪轂電機(jī)，軸向磁通電機(jī)結(jié)合了游標(biāo)電機(jī)等效極數(shù)高的特點(diǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度得到進(jìn)一步提高[66]。

定子永磁型電機(jī)無(wú)論是徑向電機(jī)還是軸向電機(jī)，其在功率/轉(zhuǎn)矩密度的可靠性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是該種電機(jī)在帶來(lái)高功率密度的同時(shí)引入了較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。東南大學(xué)Hao Li等提出一種雙轉(zhuǎn)子軸向磁通切換電機(jī)，電機(jī)原理如圖19所示，分析了電機(jī)的磁極寬度和定子槽口高對(duì)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)正弦度和齒槽轉(zhuǎn)矩大小的影響因素，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低了80%[67]。

圖19 雙轉(zhuǎn)子軸向磁通切換電機(jī)運(yùn)行原理

4.2 寬調(diào)速范圍

AFPM與徑向電機(jī)都是通過(guò)永磁體勵(lì)磁，電機(jī)的磁場(chǎng)不宜調(diào)節(jié)，為改善電機(jī)弱磁擴(kuò)速能力，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者除了在控制上采用弱磁技術(shù)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，在電機(jī)本體結(jié)構(gòu)方面主要針對(duì)兩種軸向磁通電機(jī)展開(kāi)研究，分別為軸向磁通永磁記憶電機(jī)[68]和混合勵(lì)磁軸向磁通切換電機(jī)[69-71]。

國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)Y. P. Yang等[72]研制了一款雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的盤式輪轂永磁電機(jī)，該電機(jī)的母線電壓為300 V，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1 184 r/min，峰值轉(zhuǎn)矩為274 N·m。電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，有效提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，降低了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在繞組控制上采用串并聯(lián)切換的方式，當(dāng)電機(jī)需要低速大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)每相繞組的各個(gè)支路采用串聯(lián)的方式，提高電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，在電流不變的條件下提高電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，將繞組支路進(jìn)行并聯(lián)，降低繞組反電動(dòng)勢(shì)，提高電機(jī)弱磁擴(kuò)速能力。

4.3 高可靠性

輪轂電機(jī)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力核心，其可靠性直接影響電動(dòng)汽車的駕駛安全。文獻(xiàn)[73]中提出了新型雙定子結(jié)構(gòu)六相軸向磁通永磁電機(jī)，電機(jī)繞組分成兩組三相繞組，分別安裝在兩個(gè)單獨(dú)的定子中，并且空間相差30°，繞組采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，兩個(gè)三相繞組之間互感較低，每個(gè)三相繞組實(shí)現(xiàn)物理隔離，相比于傳統(tǒng)的六相電機(jī)提高了電機(jī)可靠性，并且在正常和容錯(cuò)運(yùn)行的條件下輸出相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)的渦流損耗分別降低了25%和70%。

文獻(xiàn)[74]提出了一種新型的雙轉(zhuǎn)子軸向開(kāi)關(guān)磁通永磁電機(jī)，該電機(jī)定子繞組結(jié)構(gòu)為每相的繞組集中放置，永磁體采用具有聚磁功能的spoke結(jié)構(gòu)，如圖20所示，轉(zhuǎn)子采用兩個(gè)轉(zhuǎn)子未對(duì)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。改善了軸向電機(jī)的容錯(cuò)能力，且降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖20 定子結(jié)構(gòu)與繞組分布

5 橫向磁通永磁電機(jī)研究現(xiàn)狀

德國(guó)H. Weh等[75]提出并研制了橫向磁通電機(jī)，該電機(jī)在磁路結(jié)構(gòu)上解除了電磁負(fù)荷之間的耦合關(guān)系，同時(shí)在空間上也解除了對(duì)電機(jī)尺寸上的限制，其轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到傳統(tǒng)電機(jī)2～5倍。因此，橫向電機(jī)高的轉(zhuǎn)矩密度非常適合應(yīng)用于直驅(qū)型輪轂電機(jī)系統(tǒng)中，且得到了許多學(xué)者進(jìn)一步的關(guān)注。

西北工業(yè)大學(xué)蘇士斌提出了一種定子雙六相盤式橫向磁通電機(jī)[76]，定轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)如圖21所示，電機(jī)結(jié)構(gòu)單元基于雙定子單轉(zhuǎn)子盤式構(gòu)型，電機(jī)由兩個(gè)單元構(gòu)成，每個(gè)盤上有三相繞組，兩個(gè)單元組成雙六相電機(jī)，其中定子采用E型結(jié)構(gòu)，為了增加氣隙磁通，在定子齒之間增加了導(dǎo)磁條?？梢钥闯?，該電機(jī)充分利用了輪轂內(nèi)部的空間，適合應(yīng)用于輪轂電機(jī)。

（a）定子單元結(jié)構(gòu) （b）轉(zhuǎn)子單元結(jié)構(gòu)

圖21 雙六相盤式橫向磁通電機(jī)

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

華中科技大學(xué)褚文強(qiáng)等提出一種新型橫向磁通電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[77]，如圖22所示，永磁體磁化方向?yàn)檩S向，U型的磁軛以兩倍極距均布，各相獨(dú)立，且軸向互錯(cuò)120°。該新型橫向磁通電機(jī)采用了雙氣隙結(jié)構(gòu)，降低了永磁體的用量，并且縮短了電機(jī)的軸向長(zhǎng)度，提高了功率密度，特別適合作為中小功率的直驅(qū)型輪轂電機(jī)。

圖22 新型橫向磁通電機(jī)示意圖（三相）

文獻(xiàn)[78]中提出了一種交替磁極軸向磁通永磁電機(jī)，電機(jī)為三相電機(jī)，由3個(gè)軸向電機(jī)單元組成，每個(gè)單元間的轉(zhuǎn)子之間互差120°，一個(gè)單元電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖23所示。電機(jī)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(tǒng)表貼式橫向磁通電機(jī)永磁用量減半，并且電機(jī)可以通過(guò)對(duì)磁阻轉(zhuǎn)矩的利用，提高電機(jī)的功率密度。

圖23 單相磁體交替式橫向磁通電機(jī)

山東大學(xué)的徐衍亮等[79-80]提出了一種基于軟磁復(fù)合材料（Soft Magnetic Composite, SMC）-Si鋼組合鐵心的盤式橫向磁通電機(jī)，并研制出一臺(tái)6 kW的樣機(jī)，電機(jī)直流母線電壓為144 V，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖24所示，該電機(jī)結(jié)合了盤式電機(jī)、分?jǐn)?shù)槽集中繞組和橫向電機(jī)、SMC和硅鋼片材料的鐵磁性能互補(bǔ)性等幾方面優(yōu)點(diǎn)，具有效率高、功率密度高、運(yùn)行性能好的特點(diǎn)。電機(jī)極靴采用SMC材料，其厚度薄，在整個(gè)磁路中占比低，降低了導(dǎo)磁性能低對(duì)電機(jī)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(jìn)一步降低了對(duì)磁路的影響；SMC在高頻下具有較低的鐵耗，降低了電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的損耗，提高了電機(jī)的效率；SMC的低導(dǎo)磁率使得電機(jī)有效氣隙長(zhǎng)度增加，進(jìn)而提高了電機(jī)永磁體利用率，同時(shí)降低了電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。

6 結(jié)論

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外各種結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)進(jìn)行了調(diào)研，并根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)分析總結(jié)出永磁輪轂電機(jī)的發(fā)展方向如下：

1）新材料與新工藝輪轂電機(jī)。材料技術(shù)的革新可能突破輪轂電機(jī)電磁負(fù)荷對(duì)電機(jī)體積的制約，進(jìn)一步研發(fā)高導(dǎo)磁低損耗的磁性材料、低電阻率的導(dǎo)電材料、高導(dǎo)熱的絕緣材料、低密度高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)降低電機(jī)的損耗和質(zhì)量，提升電機(jī)內(nèi)部的傳熱能力，提高輪轂電機(jī)功率/轉(zhuǎn)矩密度。電機(jī)工藝的革新，將在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)不同工藝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)低損耗、輕量化、高冷卻效率的設(shè)計(jì)。未來(lái)電機(jī)設(shè)計(jì)不再是單純的電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而是要進(jìn)行真正的多學(xué)科設(shè)計(jì)，將電機(jī)性能做到極致。

2）新型輪轂電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將材料的特性與電機(jī)的運(yùn)行原理相結(jié)合，研發(fā)出新型結(jié)構(gòu)的高性能輪轂電機(jī)。在提高輪轂電機(jī)功率/轉(zhuǎn)矩密度的同時(shí)，利用不同材料的特性實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)載性能、轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍和高效區(qū)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52075284）。

2022-08-30

2023-01-19

關(guān) 濤 男，1992年生，碩士，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)及其控制技術(shù)。E-mail: guantao@mail.tsinghua.edu.cn

劉大猛 男，1979年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槟Σ聊芰亢纳C(jī)理、光電無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、復(fù)合檢測(cè)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）