本书介绍了轮毂电机的概念、形式、设计方法、验证和评价方法等，主要内容包括轮毂电机概述、电机基础知识、轮毂电机设计实务、商品化和量产化工作。三位作者有着多年产品研发和教学经验，本书内容深入浅出、实用性强，初学者也能够通过本书领略轮毂电机的世界。 本书适合开发和研究轮毂电机、节能设计的科研工作者、技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业师生的参考书。

第1章轮毂电机概述
　　本书的研究对象——轮毂电机，是一种将电机内置于车轮中的驱动结构，是电动汽车及燃料电池汽车等电驱汽车的独*动力传动系统。将电机内置于车轮中，驱动力几乎能直接传递到车轮，相比传统燃油汽车，齿轮和驱动轴等造成的能量损耗大大减小。另外，由于不需要安装大型电机，在节省空间方面很有优势，通用设计性也很高。
　　对于纯电动汽车，高能量密度、低成本电池的开发是量产和普及的关键。因此，更稳妥的技术路线是，开发普及特定行驶场景的客车及小型车、超小型车等。以超小型电动汽车为例，提高能效的同时还要实现小型化、轻量化。另一方面，还要克服轴距减小、摩擦力降低、操纵稳定性下降等问题。综合考虑，轮毂电机是不错的选择。
　　1.2轮毂电机应用课题
　　1.1轮毂电机应用优势
　　采用轮毂电机的优势，大致可概括为以下8点。
　　①能量转换效率高，结构简单，有利于小型化。
　　②转矩特性平坦，不需要变速器。
　　③转矩响应迅速，控制简单。
　　④可独立进行驱动力控制，降低牵引控制和车辆姿势控制等难度。
　　⑤相比“改装车”具有更高的安全性，有助于提高驱动系统稳定性。即便某个轮毂电机发生故障，也不影响其他轮毂电机继续运转。
　　⑥更易增强碰撞安全性和扩展其他安全功能。“改装车”的电机、逆变器、电池交替布置于发动机舱中，而轮毂电机式电动汽车全部采用置于车轮内的小型电机，车辆设计自由度得以提高，可实现通用设计。
　　⑦有助于汽车小型化、轻量化及节能，延长续航里程。可以取消驱动轴等传动结构，车身骨架结构的自由度也能得到提高。
　　⑧电动汽车零件数减小，空间增大，为自动驾驶及远程控制等相关新设备留出富余空间。
　　其中，①～④是电机方面的优势，⑤～⑧可以提升下一代电动汽车的服务，即进一步提高安全性，延长续航里程，促进通用设计，适配自动驾驶以及远程控制等。
　　1.2轮毂电机应用课题
　　轮毂电机长期被诟病增大了车轮的簧下质量，导致驾乘舒适度和操控性变差，干涉悬架等。这些问题随着轮毂电机进一步小型化、高性能化和驱动机构的改进，将逐步得以改善，但仍应关注以下问题。
　　①来自路面的冲击仅通过轮胎就会传递到电机本体，考验电机和减速器的鲁棒性。
　　②电机安装位置较低，要有应对雨雪等恶劣天气和颠簸路面的措施。
　　③电机邻近制动器，需要充分隔热。
　　④受限于轮内空间及容许质量，电机设计（各部分尺寸、电磁结构、绕线方式等）难度较高。
　　截至2015年7月，量产的乘用电动汽车中，还没有使用轮毂电机的先例。日产汽车LEAF和三菱汽车i-MiEV在原型阶段探讨过采用轮毂电机的方案，但量产时还是改成了普通的后轮驱动。目前，庆应义塾大学及其孵化的风投企业SIMDrive试制的样车在日本很有名。
　　1.3个人代步应用实例
　　社区流动车“COMUMO”（庆应义塾大学）
　　庆应义塾大学在日本文部科学省的支持下，于2007～2010年在全校开展“Co-mobility社会创建”的跨学科研究。Co-mobility是community和mobility的复合词，意即社区流动性，这项研究假设流动权利得到高质量保证，都市圈和郊区市民的交流变多，让社区活跃起来，对提案的社会系统进行验证和评价。本书第一作者西山敏树在庆应义塾大学对该项研究的据点——宫城县栗原市及东京都三鹰市等进行了市民需求调查。结果是，综合考虑汽车普及深化、83%客车运营商和多数出租车运营商亏损的实情，证实了“都市圈和郊区都需要普及环保设计和通用设计融合的低劳动力成本公共交通”。鉴于这样的社会需求，庆应义塾大学决定利用轮毂电机开发单座大空间超小型电动汽车，并为其增加自动驾驶功能和远程控制功能，探索公共交通的可替代性。
　　这种超小型电动汽车以庆应义塾大学开发的电动集成台车结构为基础，如图1.1所示。集成台车的概念是，将电机（轮毂电机）置入车轮，电池和其他构件置于车辆地板下的框架结构内（组件内置式框架），装上小型车轮，形成驱动系统。
　　运用集成台车可以有效扩大利用空间，提升驾乘舒适性，提高运动性能。换句话说，小型电动汽车也可以拥有宽敞车厢、行驶稳定感以及高速体验。集成台车装上车身就成了电动乘用车（图1.2），装上箱体就成了电动货车（图1.3）。
　　开发这种概念的超小型电动汽车，可以促进多种用途的移动和搬运，势必提高社区活跃度。在研究的后半程，为了谋求超小型电动汽车的移运性能改善及稳定性，通过采用功率变换器提升爬坡能力，通过改进控制软件提升任意环境下的行驶能力。使用集成台车可减少零件数量，更便于安装自动驾驶和远程控制等设备。
　　乘用车和货车的规格见表1.1。乘用车支持手机呼叫，可自动来到用户所在地，待用户上车并在车内显示屏指定目的地后将用户带到那里。货车则按照显示屏上指定的交货地点送货。这确实是可以改善流动性的超小型电动汽车，融合通用设计和环保设计，为下一代车型设计做出贡献。
　　1.4乘用车实例
　　集成台车型电动乘用车（庆应义塾大学及SIM-Drive公司）
　　庆应义塾大学一直在研究，如何通过车轮内和地板下的设计，将行驶所需的主要零件集成于坚固框架结构中的“集成台车”，并进行了车辆试制（图1.4）。
　　集成台车核心技术在于轮毂电机和置于地板下的中空结构组件内置式框架，有利于车身减重、提高设计自由度，随之减小空气阻力，显著延长续航里程。同时，行驶稳定性、碰撞安全性更有保障，还能扩大车内空间。此外，底盘本身结构也可以更简化。在所有车轮上安装轮毂电机，能够获得大的加速力，提升电动汽车动力。
　　以下是庆应义塾大学及其孵化公司SIM-Drive的乘用电动汽车实例。KAZ是总长6700mm的大型电动汽车，如图1.5所示。每个轮毂电机输出功率为55kW，8轮的总输出功率达440kW。KAZ采用“智能功率模块”（内含高速IGBT信号放大电路等），实现了逆变器高效化和小型化。此外，“串联轮式悬架”（每个大直径车轮换成2个小车轮，2个车轮间用油压管连接）的8轮车结构，扩大了内部空间，提升了颠簸路面行驶能力、转弯稳定性和驾乘舒适性等。

目录
第1章　轮毂电机概述　1
1.1　轮毂电机应用优势　3
1.2　轮毂电机应用课题　3
1.3　个人代步应用实例　4
1.4　乘用车实例　6
1.5　客车实例　11
1.6　未来的潜在应用　16
第2章　电机基础知识　19
2.1　讨论对象和设计流程　21
2.1.1　讨论对象　21
2.1.2　永磁电机的设计要素　21
2.2　电机规格的确定　22
2.2.1　负载曲线的计算　22
2.2.2　额定值的确定　26
2.2.3　理想动力装置　27
2.2.4　温度滞后元件　28
2.2.5　一阶延迟　29
2.3　电磁学　31
2.3.1　归纳和演绎　31
2.3.2　追溯麦克斯韦　31
2.3.3　麦克斯韦方程组　32
2.3.4　磁矢位的导入　33
2.3.5　麦克斯韦方程的缺憾　35
2.3.6　麦克斯韦方程无法解释的现象　35
2.3.7　小结　36
2.4　简化电磁方程　37
2.4.1　洛伦兹力　37
2.4.2　弗莱明定则　38
2.4.3　简化定则的注意点　39
2.4.4　其他简易定则　40
2.5　电机的体积　40
2.5.1　电机常数　41
2.5.2　电负荷　44
2.5.3　磁负荷　45
2.5.4　电机常数和电负荷、磁负荷的关系　45
2.6　电机与相数　46
2.6.1　交流电机的萌芽　46
2.6.2　单相　47
2.6.3　两相　48
2.6.4　电容器　48
2.6.5　电感器　49
2.6.6　电阻器　50
2.6.7　虚数　51
2.6.8　虚时间　53
2.6.9　n相　54
2.6.10　三相　54
2.6.11　五相、七相、多相　54
2.7　极数的选择　55
2.8　线圈和槽数的设计试算　58
2.8.1　线圈结构和槽数　59
2.8.2　磁负荷　65
2.8.3　串联导体数　65
2.8.4　串并联回路　66
2.8.5　邻接和隔接　67
2.8.6　星形接法和三角形接法　67
2.8.7　槽截面和槽满率　68
2.8.8　温度估计　68
2.8.9　转子铁心的结构　69
2.8.10　外转子结构　72
2.9　材料　73
2.9.1　铁心材料　73
2.9.2　技术资料识读重点　73
2.9.3　高硅钢板　74
2.9.4　磁滞损耗和涡流损耗　75
2.9.5　附加损耗　76
2.9.6　压粉铁心　77
2.9.7　芯线材料　78
2.9.8　电磁线　78
2.9.9　漆膜厚度　78
2.9.10　高温寿命计算　79
2.9.11　圆截面偏差　79
2.9.12　永磁材料　80
2.9.13　稀土元素　80
2.9.14　永磁体性能的提升　83
2.9.15　永磁体在电机中的作用　84
2.9.16　永磁体应用实务　85
2.9.17　铁机和铜机　88
2.9.18　效率*大化原理　89
2.10　控制　90
2.10.1　二轴理论　90
2.10.2　转矩方程　90
2.10.3　三相PWM逆变器的结构　91
2.11　感应电机　92
2.11.1　结构　92
2.11.2　原理　94
2.11.3　与永磁电机的比较　95
第3章　轮毂电机设计实务　97
3.1　需求性能的定量化　99
3.1.1　轮毂电机基础知识　99
3.1.2　轮毂电机的作用　102
3.1.3　行驶阻力计算　103
3.1.4　能量消耗率计算　108
3.2　设计实务　116
3.2.1　基本构想　116
3.2.2　强度和刚度　131
3.2.3　簧下质量　136
第4章　商品化和量产化工作　139
4.1　评价概要　141
4.1.1　构想—规划　141
4.1.2　单品设计—原型装配　144
4.1.3　组装—试转　147
4.2　评价内容　149
4.2.1　性能评价　150
4.2.2　耐久性评价　151
4.3　评价总结　152
参考文献　153
后记　155