《电机专栏》——轮毂电机全景解析——从原理到产业趋势

1 什么是轮毂电机？

轮毂电机（In‑Wheel Motor，IWM）是一种将电机、功率电子和制动系统直接集成在车轮轮毂内部的驱动装置。相较于传统的集中式电机+传动轴结构，轮毂电机实现了动力、控制、制动一体化，省去变速箱、传动轴、差速器等中间环节，从而显著提升整车的能效与空间利用率。

2 工作原理简述

轮毂电机的核心是永磁同步电机（PMSM）‍或永磁异步电机（PM‑AS）‍。其工作流程如下：

1. 电能输入
   ——车载高压电池通过功率电子（IGBT/SiC）向电机供电。
2. 磁场产生
   ——定子绕组通电后产生旋转磁场。
3. 转子响应
   ——永磁体转子在磁场作用下产生转矩，直接驱动轮毂转动。
4. 闭环控制
   ——车载控制器实时采集转速、扭矩、温度等信号，采用矢量控制或直接转矩控制（DTC）实现高效、平滑的动力输出。

图 1：轮毂电机结构图

3 典型结构组成

图 2：轮毂电机三维爆炸图

4 主要技术类型

图 3：减速轮毂电机结构图

5 优势与挑战

5.1 优势

5.2 挑战

图 4：轮毂电机热管理

6 关键设计要点

1. 电磁设计

• 采用高磁能密度永磁体（NdFeB）并优化定子槽形，降低谐波损耗。
• 采用有限元分析（FEA）进行磁场、温度耦合仿真。

• 行星减速器采用高强度合金材料，保证高扭矩传递。
• 轴承选用陶瓷或混合陶瓷球轴承，提升耐久性与转速极限。

• 液冷
  ——在定子、功率电子之间布置冷却通道，使用高导热冷却剂。
• 相变材料
  ——在轮毂内部嵌入相变储能层，平抑瞬时功率峰值。

• 矢量控制（FOC）
  ‍——实现高效、低噪声的转矩输出。
• 扭矩分配
  ——基于车辆动力学模型的实时分配算法，提升转向稳定性。
• 故障诊断
  ——利用转子温度、轴承振动等多传感器融合，实现预测性维护。

图 5：轮毂电机控制系统

7 典型应用案例

图 6：物流车轮毂电机布局

8 市场与产业趋势

1. 市场规模

• 2023 年全球轮毂电机市场规模约 12.5 亿美元，预计 2028 年突破 30 亿美元，年复合增长率（CAGR）约 20%。
• 中国是最大的消费市场，占全球需求的 45%，主要集中在乘用车与商用车两大板块。

• 高功率密度
  ——通过新型永磁材料与高频功率电子实现 200 kW/轮的目标。
• 集成化
  ——功率电子、冷却系统、传感器实现单体封装，降低装配成本。
• 智能化
  ——AI 驱动的扭矩分配与故障预测将成为标配。

• 国家新能源汽车补贴政策对轮毂电机的高能效特性给予倾斜。
• 《新能源汽车产业发展规划（2021‑2035）》明确提出“鼓励研发高效轮毂驱动系统”。

• 中国汽车工程学会（CAEA）已启动《轮毂电机技术规范（草案）》，预计 2025 年正式发布。

图 7：市场预测图

9 未来展望与研发热点

10 结语

轮毂电机正从概念走向成熟，凭借 高能效、空间自由、模块化 三大核心优势，已经成为新能源汽车动力系统创新的关键抓手。面对散热、可靠性与成本等技术瓶颈，业界正通过材料创新、热管理突破和智能控制等多维度协同攻关。未来，随着标准化体系的完善和规模化生产的实现，轮毂电机有望在乘用车、商用车、机器人以及特种装备等更广阔的场景中发挥决定性作用，推动交通运输进入 “分布式驱动、智能互联” 的新纪元。

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