什麼是輪轂馬達及其運作原理：完整指南-富田電機股份有限公司|標準馬達|變頻馬達|感應伺服馬達|液冷伺服馬達

在本文中，我們將說明什麼是電動輪轂馬達、它的運作原理、可用的不同類型，以及這項創新技術的優點與限制。

什麼是輪轂馬達?

輪轂馬達是一種將電動馬達整合在車輪輪轂內的技術，因此它也被稱為輪轂馬達、輪內馬達、車輪馬達或輪轂驅動。
其巧妙設計將動力、傳動與制動機構直接整合於車輪內，省去了傳統笨重的傳動系統。這不僅簡化了車輛的機械結構，也提升了效率，對於開發緊湊型電動車（EV）來說至關重要。
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輪轂馬達的歷史與演進

輪轂馬達的概念可追溯至19世紀末。1884年，威靈頓·亞當斯（Wellington Adams）取得了早期電動輪轂馬達的專利，該馬達設計用於鐵路車廂和輕型機械。1895年，奧格登·博爾頓（Ogden Bolton）獲得了另一項專利，為前輪輪轂馬達的電動自行車奠定基礎，這是輪轂馬達在個人交通工具上的首次應用。
1899年，費迪南德·保時捷（Ferdinand Porsche）與維也納的Lohner & Co.合作，開發出世界上第一款混合動力電動車，該車搭載四個由電池驅動的輪轂馬達，並結合汽油引擎。此後，早期的電動車多次嘗試採用輪轂馬達設計，但因為增加的非簧載重量及電池技術限制，未能在汽車領域廣泛普及。
隨著時間推移，輪轂馬達因其結構簡單、高效率及低維護需求，逐漸成為電動自行車、電動滑板車及輕型移動設備的首選動力系統，尤其在2000年代和2010年代得到廣泛應用。如今，輪轂馬達廣泛應用於個人電動交通工具，並持續在先進電動車及自動駕駛車輛領域進行研究與開發。

輪轂馬達如何運作：基本工作原理

• 輪轂馬達驅動技術的核心基於電磁感應的基本原理。輪轂馬達主要由以下幾個關鍵組件構成：定子、轉子、永久磁鐵以及相位控制器，如下圖所示。

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當馬達接收到電力時，相位控制器作為開關電路，根據位置感測器的信號，精確調節通過定子繞組的電流時序與順序，產生旋轉磁場。此磁場與嵌入轉子中的永久磁鐵相互作用，驅動轉子旋轉，進而帶動車輪轉動。
部分廠商（如FUKUTA）在輪轂馬達中採用「髮夾式定子」技術。髮夾定子使用矩形銅線繞製成髮夾狀，而非傳統的圓形銅線，這種設計可實現更緊密的繞組結構，提升散熱效果與功率密度。髮夾定子因此成為對空間利用與功率效率要求較高應用的首選。

輪轂馬達的功能

現代輪轂馬達除了提供推進力外，還具備多項重要功能，包括直接驅動、承載負重、差速控制、制動、能量回收與散熱等，這些功能使其成為高效且多用途的動力系統。.
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直接驅動

與依賴車軸和變速箱的傳統動力傳動系統不同，大多數輪轂馬達透過將電能轉換為機械運動來提供直接驅動能力。馬達的外轉子連接到輪圈，為車輪提供平穩且即時的扭矩以供車輛移動。

承載負重

輪轂通過軸承與懸吊系統連接，能吸收路面衝擊與車輛負載，同時保持轉子與定子精確對位，有效分散車輛重量且不影響馬達運作.

差速控制

搭載輪轂馬達的車輛可利用電子差速系統獨立調節各輪轉速。前輪轉向決定轉彎半徑，後輪透過電子控制調整轉速，防止打滑並維持最佳抓地力，實現平順且安全的轉彎，免去傳統機械差速器.

制動

輪轂馬達支援再生制動與摩擦制動的結合。再生制動回收動能轉換成電能，摩擦制動（如碟式煞車）提供額外夾持力，確保急停或緊急制動時安全.

能量回收

再生制動時，輪轂馬達切換至發電機模式，將車輛動能轉換為電能儲存於電池或超級電容中，同時產生阻力扭矩，提升能效與續航.

散熱

輪轂馬達使用空氣冷卻或水冷卻。風冷系統通常包含內建風扇或通風結構，以使空氣在馬達周圍循環。水冷系統包含專用通道，使冷卻液循環，從而實現更有效的熱交換和溫度控制，尤其是在高負載或連續運轉條件下

輪轂馬達的類型：5大主要分類

輪轂馬達根據其內部設計和車輪位置可分為 5 個主要類別。我們將在下面介紹這些不同類型的輪轂馬達，以幫助您找到適合您性能需求的馬達。

1. 有刷與無刷輪轂馬達

有刷與無刷輪轂馬達，有刷輪轂馬達使用物理電刷和機械換向器來切換馬達繞組中的電流，從而產生運動所需的旋轉磁場。雖然簡單且便宜，但有刷馬達有幾個缺點，包括功耗較高、效率較低，以及由於電刷磨損而需要頻繁維護。它們的平均使用壽命也較短（通常約 5,000 小時），並且在運轉過程中可能噪音較大。
相比之下，無刷輪轂馬達 (BLDC) 用電子控制器取代了機械電刷來處理電流的切換。這消除了物理接觸的摩擦和磨損，從而顯著延長了使用壽命（通常長達 20,000 小時），並大大降低了維護要求。無刷馬達也更節能，在低速時提供更高的扭矩、更平穩的加速、更安靜的運轉和更好的整體性能。唯一的缺點是它們需要更複雜的控制系統，並且通常製造成本更高。儘管如此，無刷輪轂馬達由於其優點已成為現代電動車的行業標準.

2. 齒輪式與無齒輪（直驅式）輪轂馬達

齒輪式輪轂馬達內部設有減速齒輪組，將馬達高速旋轉的動力透過齒輪減速傳遞到車輪。這種設計讓馬達能以更高且效率較佳的速度運轉，同時在低速時仍能輸出強大扭矩，特別適合爬坡能力要求高的小型電動車輛。由於齒輪存在，會有一定的磨損，需定期維護，但整體體積較小且重量較輕，適合多數應用。.
無齒輪輪轂馬達又稱直驅馬達，沒有內部齒輪結構，馬達的外殼直接與車輪連接，透過內部磁鐵與線圈直接驅動車輪旋轉。結構較簡單，零件較少，耐用且幾乎免維護。此類馬達運轉平順且安靜，適合大型或高速電動車，尤其在持續高扭矩需求不高的場合表現優異。不過，直驅馬達通常體積較大，且為達到低速高扭矩輸出，設計上需要更大尺寸與更多磁鐵.

3. 有感測器與無感測器輪轂馬達

有感測器馬達通常內建霍爾感測器（Hall sensors）等位置感測器，能即時監控轉子位置，精確控制換向時機。這使得馬達加速平順、啟動扭矩穩定，低速性能優異，特別適合頻繁啟停的應用，如城市通勤或重載運輸。
無感測器馬達不裝設實體位置感測器，透過反電動勢（Back-EMF）估算轉子位置。此方法在高速運轉時效果良好，但低速時反電動勢信號微弱，導致啟動扭矩不足，低速控制不佳。無感測器設計零件少，成本較低，適合輕量休閒車輛使用。

4. 帶離合器與無離合器輪轂馬達

有些輪轂馬達使用離合器在馬達未通電時將其斷開，有效消除電磁阻力。這使得電動自行車在沒有馬達輔助的情況下騎行時，踩踏變得更加輕鬆。一些離合器系統也允許調整齒輪比，提高在各種條件下的效率和騎乘舒適度。.
無離合器輪轂馬達則始終直接接合，這意味著馬達的內部阻力始終存在，即使在未通電時也是如此。雖然設計更簡單且通常更耐用，但由於持續的阻力，無離合器馬達可能會使無動力騎行更加困難。

5. 前輪輪轂馬達與後輪輪轂馬達比較

前輪輪轂馬達安裝在前輪的中心。這種放置有助於平衡自行車的整體重量，因為馬達支撐前部，而騎乘者的重量平衡後部。前輪輪轂系統也與自行車的傳動系統機械隔離，簡化了安裝和維護，並減少了對齒輪的干擾。然而，由於前輪在騎行時通常承受較輕的重量，前輪輪轂馬達在濕滑路面上可能提供較少的牽引力。
在四輪電動車應用中，前輪輪轂馬達可簡化傳動機構，省去中央馬達與變速系統，並實現前輪驅動（FWD）設計。這種配置具備良好的行駛穩定性，但在加速或重載時，牽引力表現仍可能面臨與電動自行車相似的挑戰。
相對地，後輪輪轂馬達安裝於後輪，提供類似「從後推進」的動力感，對多數騎士而言更為自然。後輪馬達在爬坡或載重時能提供更佳的牽引力與推進力，且更容易與多段變速系統整合。不過，將重量集中於車尾可能會影響操控性，特別是在崎嶇或陡坡地形上。
在四輪電動車方面，後輪輪轂馬達能實現後輪驅動（RWD）或全輪驅動（AWD）配置，這些系統常用於追求高扭力輸出的性能車款或實用型車輛。然而，增加的非懸吊重量（unsprung mass）可能會對乘坐舒適度造成影響。

輪轂馬達的優缺點

輪轂馬達的優點

• 輪轂馬達提供多種優勢，促使它們在電動車中的普及率日益增長，其中包括:
• 輕量化: 省去傳統笨重的傳動系統零件，大幅降低整車重量。輕量結構不僅提升能源效率，還能改善加速性能與整體動態表現。
• 空間利用效率高: 馬達直接整合於車輪內，釋放車體內部寶貴空間。這些空間可用於提升乘坐舒適度、增加貨物儲存，或安裝更多電池，提高功率密度並實現緊湊設計
• 車輛設計靈活性: 由於結構緊湊且模組化，製造商可輕鬆配置前輪驅動、後輪驅動或全輪驅動系統，支持多樣化傳動方案。也方便與傳統動力系統結合，打造混合動力車輛
• 靜音且運轉平順: 與傳統傳動系統相比，輪轂馬達的移動部件更少，運轉異常安靜平穩，特別是無齒輪直接驅動系統。這有助於提供更愉快的騎乘或駕駛體驗，擺脫機械傳動相關的噪音和振動。
• 提高穩定性: 透過更均勻地分配重量和降低車輛重心，輪轂馬達有助於提高穩定性，特別是在急轉彎或突然操控時.
• 成本效益: 雖然初期成本因技術與規模不同而異，但輪轂馬達簡化了機械結構，減少製造複雜度與材料需求，降低生產成本。對用戶而言，維護需求減少，有助於長期節省費用.

輪轂馬達的缺點

現在，讓我們來看看使用輪轂馬達的挑戰以及相關的解決方案：

• 增加汽車的非簧載重量: 輪轂馬達直接安裝於車輪，導致車輛的簧下質量（未被懸吊系統支撐的重量）顯著增加。這會影響乘坐舒適度、操控性及懸吊系統的反應，尤其在崎嶇路面表現更明顯。
  解決方案：
  • 採用先進懸吊調校與主動阻尼系統，減輕簧下質量對操控的負面影響。
  • 使用無鐵心設計或Litz wire線圈繞組減輕馬達重量，但需權衡耐用性。
• 散熱和能耗: 輪轂馬達在加速、制動及爬坡時產生大量熱能，且因空間受限，散熱效果不佳，易導致性能下降或元件損壞。
  解決方案：
  • 採用液冷系統、改良散熱鰭片及高效熱管理設計。
  • 使用高品質、低電阻材料降低能耗與熱量產生。
  • 優化馬達與輪轂結構，例如將輪轂設計成風扇形狀提升散熱。
• 環境耐受性較低: 輪轂馬達直接暴露於路面環境，面臨振動、衝擊、濕氣、灰塵及溫度變化，容易加速磨損與故障風險
  解決方案：
  • 採用高強度密封技術、防腐蝕材料及加固馬達外殼。
  • 定期維護與使用先進感測器監控馬達狀態，預防故障。

輪轂馬達的常見應用

隨著技術進步，輪轂馬達廣泛應用於電動交通工具，並逐步拓展至工業設備及醫療器械領域。

電動自行車與電動滑板車

輪轂馬達直接安裝於車輪內，簡化了安裝流程，省去複雜的傳動系統。騎乘者享有穩定輸出、齒輪無聲運轉及維護簡便的優勢。部分高階款式結合輕量化設計與強勁性能，適合城市通勤及越野騎行。
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電動汽車

儘管增加的簧下質量帶來挑戰，輪轂馬達仍被積極開發用於電動汽車。像Protean Electric與日產等公司探索將輪轂馬達整合於車輪，取代傳統傳動系統，實現結構緊湊與獨立車輪控制。這有助於提升效率與簡化動力傳遞，符合汽車產業推動零排放的趨勢。
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工業與醫療設備

輪轂馬達也應用於需要緊湊、安靜且精準運動的工業與醫療設備中。包括工廠與倉庫內的小型自動導引車（AGV）、輔助行動裝置、專業診斷設備，甚至部分機器人手術儀器。這展現了輪轂馬達在空間受限環境下實現高精度與高效率的多功能性。
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輪轂馬達的未來展望

根據Grand View Research的分析，全球輪轂馬達市場在2022年的估值約為122.6億美元，預計從2023年至2030年將以年複合成長率（CAGR）4.8%的速度持續增長。這主要受益於電動車需求攀升、可持續交通推廣以及馬達技術的進步.
展望未來，輪轂馬達的發展將專注於創造更輕巧、更高效的設計。這可能包括材料創新，例如先進的複合材料和改良的磁性合金，這將有助於減輕馬達重量，同時保持甚至增加功率輸出。提高能源效率也將有助於電動車和個人移動裝置的續航里程更長，性能更好。
此外，輪轂馬達預計將擴展到廣泛的新應用領域。無人機、機器人、自動貨運車輛和物聯網 (IoT) 設備等行業正開始採用輪轂馬達，因為它們體積小巧、控制精確且易於整合

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FAQs

輪轂馬達與中置馬達有什麼區別？

雖然兩者都常用於電動自行車，但輪轂馬達和中置馬達的主要區別在於它們的放置位置以及動力傳輸方式：
輪轂馬達直接整合到車輪的輪轂中（前輪或後輪）。它們直接為車輪提供動力，提供簡單高效且移動部件更少的系統。
相反，中置馬達位於自行車腳踏或中軸附近。它們透過自行車的鏈條和齒輪組傳遞動力，利用自行車現有的齒輪。這可以在爬坡時提供扭矩優勢和更好的重量分佈，但通常涉及更複雜的機械組件。

輪轂馬達是交流電還是直流電？

交流電 (AC) 和直流電 (DC) 都可以用於輪轂馬達。然而，無刷直流 (BLDC) 輪轂馬達由於其簡單性、易於控制和緊湊尺寸，是現代電動車中最常見的類型。.

輪轂馬達可靠嗎？

是的，輪轂馬達通常非常可靠。與傳統傳動系統相比，它們的移動部件更少，機械磨損更少，並且需要最少的維護。只要軸承等關鍵部件保持良好狀態，並且馬達受到保護，免受過度濕氣或腐蝕，輪轂馬達可以使用多年。其密封設計還有助於保護它們免受灰塵和碎屑的侵害，使其成為適用於各種環境的耐用選擇。