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轮毂马达

轮毂马达（英语：wheel hub motor、英语：hub motor）或轮内马达（英语：in-wheel motor）是指整合进车轮轮毂内的马达，常见于电动自行车及电动机车上。早期的电动汽车常使用轮毂马达的技术，但因为其高动态轮负载对车辆操控的负面影响[1]，以及装在车轮上，容易损坏的特性[2]，近年来已量产的电动汽车还没有使用此技术[3][2]。

Raleigh SC30自行车的前轮加上了轮毂马达（前轮中间白色的即为轮毂马达），即为电动自行车
机车用轮毂马达的构造，其最内侧深色部份是马达的轴，较外侧则是定子线圈，外侧则是有永久磁铁的转子

自行车

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主条目：电动自行车

早在1895年时，就有人申请电动自行车轮毂马达的专利[4]。自行车和汽车不同，自行车车轮的轮毂距离轮圈的距离较远。相较于其他的设计，电动自行车轮毂马达有简单、耐用、价格低廉的优点，但比较不适合用在高速[5]。自从2000年代末起，轮毂马达就已是比较多人使用的设计方式[6]。

汽车

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历史

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1900年Lohner-Porsche的Chaise纯电动车，有二颗前轮的轮毂马达 [7]
 
1900年Lohner–Porsche的Mixte赛车，有四颗轮毂马达[7]

在1880年代以及1890年代，就有许多人提出在轮毂内的电动马达、燃油引擎以及蒸气动力引擎[8]。以下是获得专利的人：圣路易的Wellington Adams在1884年专利获准[9]；美国Woburn的Edward Parkhurst在1890年专利获准[10]；Albert Parcelle也在1890年专利获准[11]；Charles Theryc在1896年专利获准；其设计没有引擎到轮子的传动杆，因此没有传动损失[12]；C F Goddard在1896年申请一个活塞轮毂发动机的专利，是用在老式汽车，利用某种气体的膨胀为动力[13]；W C Smith在1897年申请轮毂内爆炸气体膨胀发动机，利用轮毂轨道上的凸轮，将动力传输给车轮[14]。

斐迪南·保时捷曾于1897年在用维也纳用电动轮毂马达的车辆来赛车。他开发的第一部电动车就是以轮毂马达驱动，动力来源是电池[15]。装有四颗轮毂马达的Lohner–Porsche（英语：Lohner–Porsche）赛车在1900年巴黎的世界博览会首次亮相。同时也引入一款车种贩售，是前轮有二个轮毂马达的Lohner–Porsche Chaise。这款车辆的接受度很好，Lohner和其他车厂以此设计为基础，设计许多其他的车款，直到1920年代为止[16][7]。

设计

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轮毂马达带动车轮的机构可以是直驱式机构或行星齿轮[17]。马达可以是轴向磁场电机、内转子（英语：inrunner）或是外转子（英语：outrunner）设计，马达可以是有刷的换向器设计，或是使用无电刷的设计[18]。

 
2005年本田的FCX概念型轮毂马达，橘色的是高压缆线。若是改为近轮马达（near-wheel motor），就可以避免在车底盘外有高电压的问题，其好处类似轮毂马达

以设计观点来考虑，轮毂马达的好处在于其灵活度大。轮毂马达可以用在前轮驱动车、后轮驱动车、或是独立四轮驱动（英语：individual-wheel drive）。轮毂马达体积小，可以保留更多空间给乘客、货物或是其他车内的零件。轮毂马达的车内重量分布会比单一马达要好，也去除了传统车辆需要的许多零件，例如变速器、差速器及传动轴，这可以减少磨损以及机械损失[1][19]。高电压的轮毂马达需针对其高压缆线以及零件进行保护，避免其因受撞击而损坏[2]。

簧下重量

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轮毂马达的一个缺点是其重量没有加在悬吊系统的阻尼器上，因此增加了簧下质量，对车辆操控以及行驶的品质有负面影响。轮毂马达虽然会下降行驶品质，但还是比等效的内燃车车辆行驶品质要好，但因为较大的动态滚动阻力，会降低车辆的操控性[1]。Protean Electric（英语：Protean Electric）和莲花汽车发现若增加悬吊系统的阻尼，可以抵消大部份簧下质量增加所带来的负面影响，而且可以控制各车轮的力矩输出，可以提升车辆的操控性，因此整体效果仍是正面的[20]。

轮毂马达没有避震器的保护，也比较没有对振动以及碎片的防护，因此其耐用性会降低。有些设计会用减少马达重量的方式来减少簧下重量，例如无铁心（coreless）设计或是用Litz wire（英语：Litz wire）线圈绕组，这些设计虽可减轻重量，但对降低其耐用性[19]。

近轮马达

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梅赛德斯-奔驰SLS AMG，使用四颗近轮马达[21]，有轮毂马达的好处，避免了轮毂马达增加簧下重量以及容易磨损的问题

汽车的马达可以设计在车轮内，也可以设计在靠近车轮处，即为近轮马达（near-wheel motor）或轮端马达（wheel-end motor）。近轮马达有轮毂马达的好处，因为马达在底盘内，由悬吊系统支撑其重量，避免了轮毂马达增加簧下重量以及容易磨损的问题。近轮马达的体积会比轮毂马达大一些，但到2022年为止，近轮马达比轮毂马达要可靠，价值也比较便宜[22]。近轮马达避免了使用轮毂马达设计，让高电压元件放置在底盘外的风险[2]，也简化了车辆的设计以及组装[23]。

American Axle（英语：American Axle）透过美国能源部资助的计划，开发了100 kW和150 kW的近轮马达，此计划是要商品化绿能且低成本的近轮马达。成本降低的原因是因为将马达、变频器以及减速齿轮整合成单一元件，并且在马达材料上避免使用重稀土元素[24]。100 kW的三合一近轮驱动单元已是REE Automotive（英语：REE Automotive）车用产品中的贩售品[23]。

概念车

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近代概念车中最早使用轮毂马达的是IZA，在1997年电气电子工程师学会研讨会中发表，其中用了四颗25 kW（34 hp）的马达[25]。

其他在车展中展示过的轮毂马达概念车有：2005年的Chevrolet Sequel（英语：Chevrolet Sequel）[26]；2005年三菱汽车的Mitsubishi MIEV（英语：MIEV）[27]；2006年Hi-Pa Drive（英语：Hi-Pa Drive）的Mini QED[28]；2005年的Honda FCX（英语：Honda FCX）概念车[29]；2006年的雪铁龙C-Metisse[30]；2008年Protean Electric（英语：Protean Electric）的 Ford F-150[31]；2008年Heuliez（英语：Heuliez）的WILL，其中使用Michelin的Active Wheel（英语：Active Wheel）悬吊系统[32]；2009年的Peugeot BB1（英语：Peugeot BB1）[33]；2012年的Hiriko Fold（英语：Hiriko Fold），属于urban car（英语：urban car），最大速度可以到50 km/h（31 mph）[34][35]，有整合到每一个轮子 的马达、操纵致动器、悬吊以及刹车，由drive-by-wire（英语：drive-by-wire）系统来控制[36]；2019年展示的FlatFormer，是小型6x6的自驾卡车底盘[37]；Indigo Technologies自从2019年起有展示许多的轮毂马达汽车[2]2022年Aptera（英语：Aptera (solar electric vehicle)）也有展示其太阳能电动车[38]。

有些公司有发布概念车，但没有展示其实体，其中包括2006年西门子VDO（英语：VDO (company)）的eCorner概念[39]，以及2007年的ZAP-X（英语：ZAP (motor company)）[40]。

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    Mini QED电动车
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    MAZ-7907（英语：MAZ-7907）卡车，每一个轮子都有一颗马达
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    Hiriko Fold（英语：Hiriko Fold）电动车，有轮毂马达、操纵致动器、悬吊以及刹车，由drive-by-wire系统来控制

贩售车

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有轮毂马达的贩售车型（production vehicle）有：

计划中的贩售车型有：

  • BMW计划在2025年生产有轮毂马达的电动车，轮毂马达由DeepDrive开发[44]。

相关条目

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参考资料

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Vos, R.; Besselink, I. J. M.; Nijmeijer, H. Influence of in-wheel motors on the ride comfort of electric vehicles. Proceedings of the 10th International Symposium on Advanced Vehicle Control (AVEC10). Loughborough, United Kingdom: 835–840. 2010-08-22. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 A new type of engine for electric cars. The Economist. 2019-07-11 [2019-08-31]. ISSN 0013-0613. 
  3. ^ Wheel Motors to Drive Dutch Buses. Technology Review. 2009-03-23. 
  4. ^ (美国专利第552,271号)
  5. ^ Zachos, Elaina. Are electric bikes the future of green transportation?. National Geographic. 2023-07-16. 
  6. ^ Introduction to electric bikes: Everything you need to know. Cyclist.co.uk. 2017-04-18. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 von Frankenberg, Richard. Porsche – the Man and His Cars. Robert Bentley. 1961: 58. 
  8. ^ Strohl, Daniel. Ferdinand Porsche, Joseph Ledwinka, and the invention of the electric hub motor. Hemmings. February 12, 2014. 
  9. ^ 美国专利第300,827号
  10. ^ 美国专利第422,149号
  11. ^ 美国专利第433,180号
  12. ^ 美国专利第572,036号
  13. ^ 美国专利第574,200号
  14. ^ 美国专利第593,248号
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  16. ^ 16.0 16.1 Lohner. The World Guide to Automobile Manufacturers. Facts on File Publications: 294. 1987. 
  17. ^ Geared Hub Motors Vs Gearless Hub Motors. EbikeSchool.com. [2023-06-24]. 
  18. ^ Christensen, Lowell. Designing In-Hub Brushless Motors. Machine Design. July 22, 2014. 
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  20. ^ Whitehead, Andrew; Hilton, Chris. In-Wheel Motors Roll Again. IEEE Spectrum: 27. The Lotus engineers were able to eliminate much of the effect of the added unsprung mass by using slightly more suspension damping. What's more, they found that when that unsprung mass came from actual motors attached to the wheels, the ability to power each side of the car independently improved the car's handling substantially. We've now carried out similar studies on other vehicles. And in all cases, we've found that once the dampers are retuned and we add individual wheel control, the net effect on the vehicle's handling is for the better. So unsprung mass really isn't a showstopper after all. 
  21. ^ Detroit 2011: Mercedes-Benz SLS AMG E-Cell is the color of electric hotness. AutoBlog. January 10, 2011. 
  22. ^ Madichetty, Sreedhar; Neroth, Avram John; Mishra, Sukumar; Babu, B. Chitti. Route Towards Road Freight Electrification in India: Examining Battery Electric Truck Powertrain and Energy Consumption. Chinese Journal of Electrical Engineering. September 2022, 8 (3): 57–75. S2CID 252841869. doi:10.23919/CJEE.2022.000026  . 
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外部链接

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