轮毂电机为何仍未普及?

隐藏在轮毂内部的电机取消了从变速箱到传动轴的一切,但其簧下质量和散热问题仍让它无法走出车间.
隐藏在轮毂内部的电机取消了从变速箱到传动轴的一切,但其簧下质量和散热问题仍让它无法走出车间.

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轮毂电机是一种驱动架构,电动机直接安装在轮毂中心,从而完全省去变速器、差速器、传动轴等所有传动部件. 尽管纸面上的优势非常强大,但由于簧下质量增加、严苛的热管理、密封问题和高成本,至今未能在量产电动汽车上普及.

重点速览

  • 轮内电机的鼻祖可以追溯到1884年的一项专利; 混合动力汽车的应用则始于1899年.
  • 最常见的电机类型是无刷直流电机(BLDC); 其寿命约为20,000小时,而电刷式电机约为5,000小时.
  • 140 °C以上的温度可能导致永磁体永久失去磁性.
  • 簧下质量的增加使悬架中大约7–10 Hz频段的二次共振变得明显.
  • 截至2026年,首批量产计划已经启动: 目标是让一家制造商将220 kW级别的轮内电机推向量产.

轮内电机是如何工作的?

其原理与所有电动机一样,基于电磁感应. 定子绕组中电流的时序由一个相位控制器调节; 根据位置传感器传来的信号产生的旋转磁场,与转子中的永磁体相互作用,从而转动转子,也就是车轮. 没有离合器、变速器、差速器和传动轴这样的传动链; 动力在产生之处直接传递给车轮.

现代轮毂电机本身不仅仅是一个驱动单元. 直接驱动、与再生制动和摩擦制动相结合的能量回收、电子差速转速控制以及风冷或水冷,全部集成在同一个紧凑的壳体之内. 在控制方面有两种主流方案: 采用霍尔传感器的电机在低转速下能提供非常精确的控制,而无传感器电机则通过测量反电动势(BEMF)来估算转子位置,在极低转速下难以产生扭矩.

外转子和内转子结构

轮毂电机有两种基本架构. 外转子结构中,包围车轮的转子以低速旋转,约为1,000–1,500 rpm,可提供安静的直接驱动; 结构简单,但功率密度有限. 内转子结构则以高达10,000 rpm的高转速运转,并通过固定传动比的行星变速器将转速降低到车轮速度. 中间齿轮组使得更小更轻的电机也能产生相同的功率; 紧凑的行星齿轮使内转子类型在功率密度方面极具竞争力. 关于架构选择的争论仍在继续: 是追求简洁,还是功率密度?

绕组技术是决定功率密度的另一个变量. 称为发夹式 (Hairpin) 的发卡形扁平矩形铜线,与圆形绕线相比,可实现更紧密的排布、更好的散热,从而带来更高的功率密度. 从单位体积获取更多功率,是在轮内狭小空间中最直接、最有利于电机发挥的途径.

这种架构为何如此诱人? 被取消的部件与获得的优势

在电动汽车中,将电机移至车轮,可从根本上简化机械结构. 离合器、变速器、差速器和传动轴完全消失; 这也将传动系统中的机械损耗降为零. 扭矩无需中间万向节——既非十字轴也非球笼式万向节——直接传递至车轮,并与驾驶者踩下踏板的瞬间同步响应.

简化的效果在清单中更加清晰可见:

  • 由于每个车轮独立驱动,前驱、后驱以及全时 4x4 驱动均可通过单一架构轻松实现.
  • 底盘内为电机和变速箱预留的空间得以释放; 这部分空间可转化为乘员、货物或额外的电池容量.
  • 由于运动部件数量减少,运行更安静,机械磨损和保养需求也随之降低.
  • 由于重量分布在四个角上,重心降低,有助于提升稳定性.

在效率方面,账目同样占优: 与中央电机系统相比,采用轮毂电机的电动汽车拥有更高的系统效率和更低的机械损耗. 在机械上得到简化的车辆,在电气上则是一辆智能得多的汽车 ——因为四个电机的扭矩可以在毫秒级尺度上独立管理.

簧下质量难题: 交给悬挂系统控制的重量

Süspansiyonun kontrol edemediği her ek kilogram, sonunda lastiğin yolla temasından ödenir.

轮毂电机最受争议的成本,是它对簧下质量的贡献. 簧上质量是指由车身承载的质量,簧下质量则是直接由车轮和悬架管理的那部分质量. 当电机被移入轮毂内时,后一类质量会显著增加,其后果也可被测量: 抓地力、行驶舒适性、悬架的灵敏性以及部件的耐久性都会受到不利影响.

物理规律简单而残酷. 簧下质量的增加会削弱车轮跟随路面轮廓的能力,放大的车轮动态载荷和悬架摆动,并使大约 7-10 Hz 频段的二次共振模态更加明显,从而损害舒适性. 虽然由于车轴距离的滤波效应,这种影响对车身的传导因车而异,但悬架无法控制的每一克额外重量,最终都由与路面接触的轮胎来承担.

在这一点上,也存在一种反对意见,不容忽视. 该技术的厂商声称,簧下质量效应被夸大了,调校良好的悬挂和主动减震器可以在很大程度上抵消这一影响. 然而,近年来经同行评审的研究证实,簧下质量的增加确实会以可测量的方式放大的车轮动态载荷和悬架摆动. 现实情况是这样的: 这个问题并非无法克服,但也绝不容轻视——要弥补它,需要更先进、更昂贵的悬架设计.

热管理与密封性: 车轮内部的恶劣环境

狭窄壳体内的热陷阱

在中央电机驱动的车辆中,电机位于便于接入冷却回路、能够接触新鲜空气的区域. 而在车轮内部,同样的电机却要在狭窄的壳体中工作,承受刹车热量并被路面飞溅物侵袭. 在这个区域散热十分困难; 过热首先降低电机效率,随后迅速破坏绝缘,并可能导致电子元件发生短路等故障. 临界阈值也很明确: 一旦超过140 °C,永磁体可能会失去磁性——也就是说,一次长时间的大负荷爬坡,就可能永久性地削弱电机. 簧下质量给刹车带来的额外负担,会进一步增加产生的热量. 解决方向已经明确: 液冷通道、高性能散热器和低电阻绕组材料. 35 kW级别的大容量轮毂电机通过内部冷却系统进行散热,已在实验中得到验证; 也就是说,这在技术上是一个可以解决的问题,但每种解决方案都会增加成本和重量.

密封件的战斗: 水、灰尘与振动

第二个环境问题是密封性. 电机位于以车速旋转的部件之中; 被湿气、灰尘、泥浆、盐水以及持续振动所包围. 悬架上方的每个部件都多少受到这种环境的保护,而车轮内部的电机却在最外沿奋战. 密封件的任务需要双向平衡: 在提供高密封性的同时,不能给旋转部件增加摩擦损耗. 因此轮毂电机密封件经过特殊设计,以在速度升高时减少摩擦损失; 可扩展的密封件几何结构以及通过将摩擦热导出以降低密封件温度的密封设计,正在以专利级别进行开发.

故障分析结果也证实了这些结论: 簧下质量对操控动态的影响、密封方面的难题以及噪声,是轮毂电机中较为突出的故障来源. 还有经济层面的因素: 轮毂是最容易遭受事故损伤的部位之一; 受损后,需要维修的部件已不再是一个简单的轮圈,而是一个内含电机、电力电子设备和密封件的昂贵总成. 一个高效、轻量化的四轮电机系统成本仍然很高,这并不令人意外.

与中央电机的比较: 两种架构的算账

如今道路上几乎所有的电动汽车都采用单电机或双中央电机架构. 在这种布局中,电机和减速器位于车轴上,处于车身保护的区域; 它提供成熟的生产链、经过验证的热管理和可接受的簧下质量. 而轮毂电机则用四个紧凑总成完成同样的工作,并承担上述所有挑战. 用表格形式总结差异是合适的:

特性 中央电机 轮内电机
传动系统 变速箱、差速器、传动轴 无 - 直接驱动
机械损耗 存在传动链损耗 无传输损耗
布置方式 位于车轴上,占据空间 位于轮毂内,释放底盘空间
簧下质量 低 显著增加
散热与密封环境 受保护区域 直接暴露于道路条件
扭矩矢量分配 需要额外机构 天然特性——单轮独立控制
成本与成熟度 已在量产中得到验证 成本高,生产经验有限

这张表格也解释了为什么这项技术至今仍局限于小众领域. 在电动自行车和电动滑板车领域,轮毂电机凭借其简单性和低成本早已成为标准; 在轻型出行工具中,簧下质量和热负荷问题相比汽车要小得多. 而在汽车规模下,情况就不同了: 随着质量、功率和制动能量的增大,这四个问题也会同比例加剧.

扭矩矢量分配: 这项技术最强的王牌

轮毂电机优点中争议最少的是其控制能力. 当每个车轮都拥有自己的电机时,向不同车轮施加不同扭矩只是软件中的一个参数问题. 扭矩矢量分配通过在弯道中加速外侧车轮、减速内侧车轮,为车辆提供转向助力,并可显著改善抓地力. 无需机械差速器; 电子差速器可以独立调节弯道中内外车轮的速度.

控制策略也在不断成熟: 通过结合集成扭矩矢量控制和主动前轮转向,已为轮毂电机电动汽车开发出稳定性控制. 相比之下,控制的复杂度快速上升,牵引力控制和扭矩矢量分配算法所需的处理能力将如何影响系统成本,在工程界仍是未知数. 简而言之,这项技术最强的王牌,同时也是其最复杂子系统存在的理由.

普及的窗口正在打开吗? 当前格局

历史以一种有趣的方式循环演进. 最早的电动轮毂电机专利于1884年获得,前轮轮毂电机电动自行车专利于1895年获得,而1899年,首批将四电池轮毂电机与汽油发动机相结合的混合动力汽车之一被研制出来. 也就是说,这项技术与汽车同龄; 而早期阻碍它的簧下质量和电池问题,却已等待了超过一百年的解决方案.

如今,局面开始发生变化. 近年来,一家制造商宣布了一款计划于2026年投入量产的量产就绪轮内电机系统,并于2025年秋季推出了功率为220 kW的新型轮毂电机,同时透露一家欧洲制造商计划在电动跑车上采用这项技术. 竞争对手一家供应商的轮毂电机技术是首个获得认证并用于量产车的技术, 已在100多辆车上累计超过150万英里的测试里程; 同一家公司于2025年10月推出了一款专为高性能电动车设计的新型号. CES 2026上展出的内置减震器的轮毂驱动方案,则被解读为对该技术众所周知的轮毂轴承载荷问题的回应.

市场方面的预测则应谨慎解读. 以2026年为基准年发布的轮毂电机市场预测在约21.7亿至45.5亿美元的宽泛区间内变化; 2034年的目标值也因预测而异,处于310亿至700亿美元区间,年增长率预计为28%-41%. 这种差异表明,该市场在定义和范围上尚未定型——但所有预测的方向都一致: 向上. 一篇经同行评审的最新综述也总结了现状: 尽管具有空间和效率优势,直驱式轮毂电机尚未被广泛应用于电动汽车.

那么,为什么不是每辆电动汽车都配备四个轮毂电机?

这个问题的答案不能用一句话概括,但可以用四点概括: 非簧载质量、热量、密封和成本. 中央电机一举解决这四个问题; 作为代价,则牺牲了一部分机械效率和布局灵活性. 轮毂电机则做出完全相反的取舍: 获得传动损耗的降低、布置空间的节省和扭矩矢量控制能力; 作为交换,它使悬挂设计复杂化,将热管理和密封工程提升到极致,并推高了组件成本.

截至2026年,该技术正处于量产门槛上: 首批获得认证的应用已经完成,量产就绪的系统已经公布,针对轴承载荷和热管理等经典弱点的工程解决方案也已产出. 而普及的关键并非某一项单独的发明; 而是能补偿非簧载质量的廉价自适应悬架、达到规模经济的生产方式以及汽车制造商的风险偏好三者在同一时间点的交汇. 当这种交汇实现时,汽车在过去一个世纪里从未改变的传动架构将首次被彻底革新.

参考资料