Protean Drive是Protean Electric开发的一种用于乘用车和轻型商用车的轮毂电机系统。电机占据了轮辋内部的空间，并结合了传统上占据该体积的机械制动器。车辆可以配置为两轮或四轮驱动配置，作为全电动或混合动力，并带有400或800 V电池系统。一对轮内电机代表了更传统的电动轴的替代方案，其中电机和逆变器安装在车身上，驱动力通过齿轮、差速器和半轴传递到车轮。使用四个轮内电机的系统图示如所示图1。
轮毂电机是直接驱动的，这意味着没有变速箱或变速器。电机是带外转子的永磁同步电机(PMSM)。逆变器与电机集成在同一个封装内。与传统的电动车轴相比，车轮内部所有部件的集成大大节省了空间。
轮毂电机的优势
使用轮毂电机节省的空间为重新包装电气部件创造了机会。例如，电动车辆的一个常见缺点是电池的位置。在大多数电动汽车中，电池以滑板设计放置在地板上，图2。这种装置的效果是将地板抬高约150 mm。这迫使车辆设计者要么减少乘员的车厢空间，要么提高车顶的高度，导致空气阻力增加，行驶里程相应减小。
使用轮毂电机的电池包概念如所示图3。在本例中，电池的包为乘客脚留出了空间。这种电池单元的布置提供了与滑板电池相同的充电容量，但使车辆设计者能够在不提高车顶高度的情况下为乘客增加车厢空间。
与电动轴相比，使用轮毂电机的车辆的动力传动系统部件的质量降低也有利于电池。减小质量允许减少电池容量或增加现有电池。
轮毂电机的另一个好处是这种系统的扭矩矢量能力。扭矩矢量是在车轴上应用不同的扭矩，并且是轮毂电机系统的零成本特征，通过从左马达和右马达要求不同的扭矩输出来实现。这使得转向不足和转向过度特性得到动态优化。扭矩矢量还可以减小后轮驱动应用中的转弯半径，允许后轮与转弯的前轮一起工作。通过将扭矩矢量应用于汽车的后轮轴，转弯半径可以减少7%到10 %,而无需改变车辆。使用轮内电机减少转弯周期展示如图4。
轮毂电机面临的挑战
尽管轮毂电机具有诸多优势，但其设计也带来了一些挑战。工程师面临的主要困难之一是将电机和逆变器封装到轮辋内的可用空间中。目标是尽量减少对车轮端其他系统的干扰，如车轮轴承、悬架、转向和摩擦制动。大直径环形体积有助于高半径、轴向短、高扭矩的电机，但是该体积对于封装逆变器来说并不理想。Protean Drive的设计可以使用标准轮辋、轴承、悬架和转向系统，但与传统解决方案相比，制动盘必须倒置。悬架和制动器的典型集成如图所示图5。
轮毂电机的工作环境要求设计能够承受振动和冲击。振动测试在三个轴中的每一个轴上进行32小时，平均11 g rms符合GMW3172标准[1]。此外，在每个轴的两个方向上必须能够承受20次100 g。
与传统电动汽车中的电机和逆变器相比，密封也更具挑战性。该系统可能需要放置在水中，并且在其寿命期间会受到灰尘、砂砾和其他材料的影响。动态密封件的功能由于在转弯和紧急制动期间车轮轴承的偏转而变得更加复杂，这又意味着密封件必须容许转子和定子之间的相对运动。
热量必须在系统中进行管理。电机采用50:50的水—乙二醇混合物进行冷却，在标称流速为13升/分钟的情况下，通常可带走约5千瓦的热量。电机绕组、逆变器和摩擦制动器都是热源。通常，绕组可承受高达180°C的温度，电子元件可承受高达125°C的温度，电容器元件可承受高达100°C的温度。在运行过程中，制动盘的温度可能高达500°C；圆盘与转子相连，这意味着还必须考虑到驱动磁体的热传导。
噪声、振动和粗糙度(NVH)是轮毂电机的重要考虑因素。如果电磁场对磁体的激励没有通过设计仔细约束，大直径外部转子是潜在的噪声源。电动马达的非线性特性使这变得更加复杂，这在很大程度上是紧凑设计的结果。通过以正确的幅度和相位插入基波电频率的谐波来定制相电流波形的能力可以减少转矩脉动，使得车厢中的结构噪声水平对于高质量的客车来说是可接受的。
如果不提及簧下质量，任何关于轮内电机挑战的讨论都是不完整的。无可争议的是，轮内电机增加了车辆簧下部分的质量。不太清楚的是这种增长的影响。传统观点认为，任何非簧载质量的增加都是有问题的，应该不惜一切代价避免。现实更加复杂。从理论角度来看，例如[2]，关键因素与绝对簧下质量关系不大，而与簧上质量与簧下质量之比关系更大。在实践方面，Protean已经委托进行了几项关于簧下质量影响的研究，包括由Lotus Engineering进行的评估[3]。本文的结论是，虽然性能上的差异可以用复杂的工程技术来测量，但在典型的车辆开发计划中，这些差异都不会超出正常的目标偏差。
电机构造
设计是由包装电机和逆变器的可用空间决定的。可用的体积是环形的。轮缘限制外径，车轮轴承限制内径，并且总轴向长度受到轮缘宽度和结合摩擦制动器的要求的限制。例如，被设计成安装在具有18英寸轮辋的客车中并传递1400 Nm扭矩输出的驱动电机逆变器具有大约400 mm的外径、200 mm的内径和大约140 mm的总轴向长度。
与逆变器相关的电力和控制电子设备分布在组件的车辆(或内侧)侧。电容器是一个定制设计的部件，占据电机内部的一个环。定子的主体是一个机械加工的铝铸件，起到散热器的作用；冷却通道分布在电机的两面，同时也冷却电力电子设备。
电力电子设计在定制模块中使用650 V额定绝缘栅双极晶体管(IGBTs)。每个电源模块由一个三相逆变器组成，每个单元包含四个这样的模块。线圈和逆变器的布置如所示图6。
定子包括由铸件制成的铝主体，在热熔过程中将护铁安装在该铝主体上（a back-iron is ftted in a hot-drop process）。护铁（back-iron）由一叠电工钢叠片形成，并且尺寸被选择成使得在所有工作温度下，两个部件之间存在干涉配合，能够处理最大扭矩。
定子的电磁设计包括压入定子护铁的插入式齿。总共有72个齿，每个齿用32匝铜线缠绕。在制造过程中，自动绕线机将导线缠绕在三个连续的齿上，构成一个相。这些相通过引线框连接在一起，以将电机配置为八个三相子电机，其中两个子电机并联缠绕，图7。
定子体是水冷的。冷却剂通道被配置为两层；第一层为电力电子设备提供冷却，第二层为线圈和定子背铁提供冷却。该系统使用50:50的水-乙二醇混合物，标称流速为13升/分钟。冷却通道设计如所示图8。
一对电力电子模块安装在定子的背面，每个模块容纳两个三相桥。定子的后部通过一个电子设备盖保护免受环境影响。
转子由铝铸件制成。在制造过程中，加热转子外壳，并插入护铁。这两个零件的尺寸经过精心选择，以确保在所有车辆运行温度下它们之间存在过盈配合。
三十二对驱动磁体组粘结在护铁的内表面上。这些磁铁与定子线圈产生的磁场相互作用，产生扭矩。护铁提供了一个封闭的磁通路径，以确保转子外部没有杂散磁场。
制动盘用螺栓固定在转子外部，以提供机械制动，因此该结构的设计必须能够承受制动和横向加速过程中施加在转子上的最坏情况下的力。在这些情况下施加的力取决于车辆的质量。
磁环安装在转子内部。这与转子驱动磁铁的极对数相同。位置传感器(正弦/余弦编码器)测量该环产生的磁场，以确定转子的角位置。
转子还包括一个橡胶密封，以防止污染物进入转子腔。密封设计为随着速度的增加而提升，以减少密封和运转表面的磨损。
一个标准的汽车轴承连接转子和定子。轴承承载车辆的全部载荷，因此转子和定子都不承载支撑车辆的力。与电机设计的所有元素一样，轴承的特性也是一种权衡。它必须足够坚硬，以确保在高横向加速度事件中定子不会接触到转子。相反，轴承的阻力必须尽可能低，以减少损失并使系统效率最大化。
电机包含两个电子模块，每个模块包括两个逆变器。每个模块都包含一个处理器，该处理器读取相关传感器并产生信号来打开和关闭栅极驱动器。这些进而向IGBTs提供开关信号。这些模块安装在定子的背面，并连接到引线框中的引脚，而引脚又连接到线圈。
控制逆变器所需的传感器包括:
每个逆变器三个电流传感器，每相一个(每个电机总共十二个)
每个模块一个位置传感器(每个电机总共两个)
每个逆变器三个线圈热敏电阻，每相一个(每个电机总共十二个)
每相两个IGBT热敏电阻(每台电机总共24个)
每个逆变器一个总线电压传感器(每个电机总共四个)。
电机控制
电机中的逆变器采用磁场定向控制(FOC)。顶级控制回路如所示图9。
结论
Protean Electric开发了一种轮毂驱动系统，该系统将电机、电子设备、数字控制和摩擦制动器集成在一个紧凑的外壳中。Protean Electric轮毂电机驱动系统，为bev和混合动力车提供了高度的设计自由度。
