馬達介紹:輪轂馬達 ( I )

2022/08/23閱讀時間約 3 分鐘
輪轂馬達(Wheel Motor)只是一種針對馬達外觀而定義的馬達名稱,而非專屬那一種型式的馬達,只要能塞到輪子內,都可以稱為輪轂馬達。
由於輪轂馬達並沒有嚴謹的定義,因此它的英文名稱也有兩種說法Wheel或是Hub,甚至兩種單字都使用變成Wheel Hub Motor。但由於是放在輪子當中,因此代表者空間有明確的限制條件,且是用於交通載具上,會希望重量輕,單位體積的能量密度高;綜合以上條件,基本上都是採用永磁馬達
筆者最早得知此類型的馬達,是從日本的清水浩(Hiroshi Shimizu)教授所提出,他們後來設計了一款8輪的電動車「Eliica」。主要的概念是,將動力源放在輪子當中,則可以不佔原本引擎的空間,且可依動力需求調配實際安裝的輪轂馬達數量。而對筆者來說,其實有更多可靈活運用的可能;包括轉彎時可更改左右輪的轉動方向,縮小迴轉距離;遇到路面摩擦力有差異時,如左輪遇到水面或是冰面打滑時,主動調降輪胎轉速,以恢復摩擦力作用;也可以將前後輪配合不同規格的輪轂馬達,來調配重載與高速循航時的使用情況,使馬達效率持續操作在高性能區域;甚至可依據不同的需求,做電能回充的配置。
Eliica
早期的輪轂馬達都使採用工業馬達搭配齒輪箱後,放入輪胎結構當中使用;這可以算是第一代的輪轂馬達型式,基本上已經退出輪轂馬達的市場了,但在無人搬運車AGV當中仍是主流。
工業馬達搭配齒輪箱
但隨著需求的增加,真正的輪轂馬達開始進入市場,是將輪子與馬達結為一體的設計。此時仍有齒輪的存在,但基本上都採用了同軸的行星齒輪來降低齒輪上的傳動損耗;馬達的部份內轉式永磁馬達或是外轉式永磁馬達都有人採用。這種輪轂馬達,但仍然使用齒輪變速結構的設計,屬於第二代的輪轂馬達型式;目前仍是市場上的主流,因其整體體積較小,重量也較輕,仍具備產品優勢。
第二代輪轂馬達
發展至第三代的輪轂馬達,則是將齒輪結構完全拆除,僅留下馬達的部份,因此一定是外轉式永磁馬達,才能直接帶動輪胎旋轉。此代雖然移除了齒輪所帶來的額外傳動損耗,但馬達必須要直接做到低轉速高扭矩的輸出,往往在設計上需要多的槽極配設計,會需要更大的直徑尺寸空間,在較小的輪胎尺寸內就無法滿足動力需求。且因為多的槽極配組合,就代表磁鐵的使用數量增加;因此第三代輪轂馬達發展初期,其實是強磁釹鐵硼的費用相對低的時間點,但釹鐵硼大漲後,經濟競爭力不足,因此改回第二代的型態,減少磁鐵的使用量。
第三代輪轂馬達
事實上還有第四代的輪轂馬達,但又換了個名字,稱為智慧輪。不僅是馬達加上齒輪結構,連驅動控制器、感測器及電池全部都包進來了,是個整合度更高的產品。但受限於空間限制,電池無法太大,導致續航力或是輸出轉矩都偏小,目前處於叫好不叫座的階段,需等待電池技術的提升。
重點整理:
輪轂馬達僅是一種針對外觀的描述。
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