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輪轂馬達

輪轂馬達（英語：wheel hub motor、英語：hub motor）或輪內馬達（英語：in-wheel motor）是指整合進車輪輪轂內的馬達，常見於電動自行車及電動機車上。早期的電動汽車常使用輪轂馬達的技術，但因為其高動態輪負載對車輛操控的負面影響[1]，以及裝在車輪上，容易損壞的特性[2]，近年來已量產的電動汽車還沒有使用此技術[3][2]。

Raleigh SC30自行車的前輪加上了輪轂馬達（前輪中間白色的即為輪轂馬達），即為電動自行車
機車用輪轂馬達的構造，其最內側深色部份是馬達的軸，較外側則是定子線圈，外側則是有永久磁鐵的轉子

自行車

主條目：電動自行車

早在1895年時，就有人申請電動自行車輪轂馬達的專利[4]。自行車和汽車不同，自行車車輪的輪轂距離輪圈的距離較遠。相較於其他的設計，電動自行車輪轂馬達有簡單、耐用、價格低廉的優點，但比較不適合用在高速[5]。自從2000年代末起，輪轂馬達就已是比較多人使用的設計方式[6]。

汽車

歷史

 
1900年Lohner-Porsche的Chaise純電動車，有二顆前輪的輪轂馬達 [7]
 
1900年Lohner–Porsche的Mixte賽車，有四顆輪轂馬達[7]

在1880年代以及1890年代，就有許多人提出在輪轂內的電動馬達、燃油引擎以及蒸氣動力引擎[8]。以下是獲得專利的人：聖路易的Wellington Adams在1884年專利獲准[9]；美國Woburn的Edward Parkhurst在1890年專利獲准[10]；Albert Parcelle也在1890年專利獲准[11]；Charles Theryc在1896年專利獲准；其設計沒有引擎到輪子的傳動桿，因此沒有傳動損失[12]；C F Goddard在1896年申請一個活塞輪轂發動機的專利，是用在老式汽車，利用某種氣體的膨脹為動力[13]；W C Smith在1897年申請輪轂內爆炸氣體膨脹發動機，利用輪轂軌道上的凸輪，將動力傳輸給車輪[14]。

斐迪南·保時捷曾於1897年在用維也納用電動輪轂馬達的車輛來賽車。他開發的第一部電動車就是以輪轂馬達驅動，動力來源是電池[15]。裝有四顆輪轂馬達的Lohner–Porsche（英語：Lohner–Porsche）賽車在1900年巴黎的世界博覽會首次亮相。同時也引入一款車種販售，是前輪有二個輪轂馬達的Lohner–Porsche Chaise。這款車輛的接受度很好，Lohner和其他車廠以此設計為基礎，設計許多其他的車款，直到1920年代為止[16][7]。

設計

輪轂馬達帶動車輪的機構可以是直驅式機構或行星齒輪[17]。馬達可以是軸向磁場電機、內轉子（英語：inrunner）或是外轉子（英語：outrunner）設計，馬達可以是有刷的換向器設計，或是使用無電刷的設計[18]。

 
2005年本田的FCX概念型輪轂馬達，橘色的是高壓纜線。若是改為近輪馬達（near-wheel motor），就可以避免在車底盤外有高電壓的問題，其好處類似輪轂馬達

以設計觀點來考慮，輪轂馬達的好處在於其靈活度大。輪轂馬達可以用在前輪驅動車、後輪驅動車、或是獨立四輪驅動（英語：individual-wheel drive）。輪轂馬達體積小，可以保留更多空間給乘客、貨物或是其他車內的零件。輪轂馬達的車內重量分佈會比單一馬達要好，也去除了傳統車輛需要的許多零件，例如變速箱、差速器及傳動軸，這可以減少磨損以及機械損失[1][19]。高電壓的輪轂馬達需針對其高壓纜線以及零件進行保護，避免其因受撞擊而損壞[2]。

簧下重量

輪轂馬達的一個缺點是其重量沒有加在懸吊系統的阻尼器上，因此增加了簧下質量，對車輛操控以及行駛的品質有負面影響。輪轂馬達雖然會下降行駛品質，但還是比等效的內燃車車輛行駛品質要好，但因為較大的動態滾動阻力，會降低車輛的操控性[1]。Protean Electric（英語：Protean Electric）和蓮花汽車發現若增加懸吊系統的阻尼，可以抵消大部份簧下質量增加所帶來的負面影響，而且可以控制各車輪的力矩輸出，可以提昇車輛的操控性，因此整體效果仍是正面的[20]。

輪轂馬達沒有避震器的保護，也比較沒有對振動以及碎片的防護，因此其耐用性會降低。有些設計會用減少馬達重量的方式來減少簧下重量，例如無鐵心（coreless）設計或是用Litz wire（英語：Litz wire）線圈繞組，這些設計雖可減輕重量，但對降低其耐用性[19]。

近輪馬達

 
梅賽德斯-賓士SLS AMG，使用四顆近輪馬達[21]，有輪轂馬達的好處，避免了輪轂馬達增加簧下重量以及容易磨損的問題

汽車的馬達可以設計在車輪內，也可以設計在靠近車輪處，即為近輪馬達（near-wheel motor）或輪端馬達（wheel-end motor）。近輪馬達有輪轂馬達的好處，因為馬達在底盤內，由懸吊系統支撐其重量，避免了輪轂馬達增加簧下重量以及容易磨損的問題。近輪馬達的體積會比輪轂馬達大一些，但到2022年為止，近輪馬達比輪轂馬達要可靠，價值也比較便宜[22]。近輪馬達避免了使用輪轂馬達設計，讓高電壓元件放置在底盤外的風險[2]，也簡化了車輛的設計以及組裝[23]。

American Axle（英語：American Axle）透過美國能源部資助的計劃，開發了100 kW和150 kW的近輪馬達，此計劃是要商品化綠能且低成本的近輪馬達。成本降低的原因是因為將馬達、變頻器以及減速齒輪整合成單一元件，並且在馬達材料上避免使用重稀土元素[24]。100 kW的三合一近輪驅動單元已是REE Automotive（英語：REE Automotive）車用產品中的販售品[23]。

概念車

近代概念車中最早使用輪轂馬達的是IZA，在1997年電氣電子工程師學會研討會中發表，其中用了四顆25 kW（34 hp）的馬達[25]。

其他在車展中展示過的輪轂馬達概念車有：2005年的Chevrolet Sequel（英語：Chevrolet Sequel）[26]；2005年三菱汽車的Mitsubishi MIEV（英語：MIEV）[27]；2006年Hi-Pa Drive（英語：Hi-Pa Drive）的Mini QED[28]；2005年的Honda FCX（英語：Honda FCX）概念車[29]；2006年的雪鐵龍C-Metisse[30]；2008年Protean Electric（英語：Protean Electric）的 Ford F-150[31]；2008年Heuliez（英語：Heuliez）的WILL，其中使用Michelin的Active Wheel（英語：Active Wheel）懸吊系統[32]；2009年的Peugeot BB1（英語：Peugeot BB1）[33]；2012年的Hiriko Fold（英語：Hiriko Fold），屬於urban car（英語：urban car），最大速度可以到50 km/h（31 mph）[34][35]，有整合到每一個輪子 的馬達、操縱致動器、懸吊以及剎車，由drive-by-wire（英語：drive-by-wire）系統來控制[36]；2019年展示的FlatFormer，是小型6x6的自駕卡車底盤[37]；Indigo Technologies自從2019年起有展示許多的輪轂馬達汽車[2]2022年Aptera（英語：Aptera (solar electric vehicle)）也有展示其太陽能電動車[38]。

有些公司有發佈概念車，但沒有展示其實體，其中包括2006年西門子VDO（英語：VDO (company)）的eCorner概念[39]，以及2007年的ZAP-X（英語：ZAP (motor company)）[40]。

  •  
    Mini QED電動車
  •  
    MAZ-7907（英語：MAZ-7907）卡車，每一個輪子都有一顆馬達
  •  
    Hiriko Fold（英語：Hiriko Fold）電動車，有輪轂馬達、操縱致動器、懸吊以及剎車，由drive-by-wire系統來控制

販售車

有輪轂馬達的販售車型（production vehicle）有：

計劃中的販售車型有：

  • BMW計劃在2025年生產有輪轂馬達的電動車，輪轂馬達由DeepDrive開發[44]。

相關條目

參考資料

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  5. ^ Zachos, Elaina. Are electric bikes the future of green transportation?. National Geographic. 2023-07-16. 
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  11. ^ 美國專利第433,180號
  12. ^ 美國專利第572,036號
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外部連結

 
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