在上期文章轮毂电机Hub Motor，新能源汽车下一代的革命者？（四），重点介绍了Protean轮毂电机技术。本期，接着聊。
Elaphe
Elaphe于2006年在英国成立，发展至今已有15年。量子物理学家Andrej Detela，在20世纪80年代开始研究轮毂电机解决方案，后和Elaphe创始人兼首席执行官Gorazd Lampič联手创建Elaphe。其使命是将轮毂动力总成解决方案带入汽车大众市场。
Elaphe轮毂电机产品有四款，分别为：S400、M700、M1100、L1500。
S400专为轻型电动和混合动力汽车而设计，适用于轻到中等负载的直接驱动应用，并可与标准盘式或鼓式制动器集成。适用13寸/14寸轮胎。
M700电机是一款紧凑的高扭矩轮毂电机，设计用于安装在标准的15/6英寸轮辋内。这款液冷电机具有超过700 Nm的峰值扭矩，75 kW的峰值功率和50 kW的持续功率，适合多种乘用车类别。它与标准盘式或鼓式制动器兼容，使电机能够在2iWD和4iWD配置中使用。适用15寸/16寸轮胎。
M1100电机定位于重型车辆，如火车、公共汽车和多用途车辆混合动力苛刻环境中。适用17寸轮胎。
L1500则是旗舰产品，采用集成的标准盘式制动器、标准外卡钳和标准轮毂轴承、EPB, 旨在适应原装车辆转向节。适用19寸/20寸轮胎。
谈到L1500，就不得不提2018年于美国创立的Lordstown Motor。
Lordstown Endurance是一款正在开发的全轮驱动（AWD）电动皮卡车。其设计包括四个独立的Elaphe L1500轮毂电机。Endurance的生产日期推迟至2022年4月份以后。如不出意外，Lordstown Endurance将会是世界上第一辆量产的轮毂电机电动皮卡。富士康将收购前通用汽车工厂，并为Lordstown Motors生产Endurance。
关于Lordstown Motor的定位，可以参考其与市场其他车型的对比，该公司也正在大面积融资。
Lordstown Motor早期开发计划如下，目前看来存在一定延期。
自称世界上第一辆太阳能纯电动汽车Aptera采用的也是Elaphe M700(标准规格16寸)轮毂电机。
回到电机本身，L1500于2019年亮相，其设计基于M700，两款电机在结构上都有一些相似之处。L1500有83个部件，其中近60%是标准供应商零件，其余的主要是铸造或定制的供应商解决方案。
L1500采用外转子直驱，电机的铝制转子外壳包含轭和永磁体，通过传统的汽车轮毂轴承连接到车辆转向节。
关于L1500的多物理场结构设计，可以参考Elaphe创始人兼首席执行官Lampic在媒体采访所透露的细节。
我们的测试策略基于三个因素 - 基于OEM和国际标准的测试，然后是内部规范，最后是基于设计故障模式和效果分析练习的内部识别测试，车辆测试和模拟。
"这些标准还告知了我们对电动机和逆变器特定性能参数、EMC、电气安全、耐用性和电缆布线的要求。基于ISO 26262标准的分析也很有用。
轮毂电机在其使用寿命期间承受的冲击和应力远远超过任何电动轴电机，因为它们几乎经常与道路直接接触。因此，Elaphe的开发模型包括大量的研究，模拟和测试，以迭代在其使用寿命内承受各种负载的电机。
作用在 L1500 上的一些负载是在内部产生的。例如，由于铜绕组、钢层压和永磁体中的电磁损耗产生的过热而产生的热机械应力，以及轴承和密封件中的摩擦损耗。
制造过程中的过度预紧力主要在加工和铸造过程中引入，也可能导致电机设计中残余内应力在测试之前积聚。为此，Elaphe使用热处理来最大限度地减少这些载荷及其对结构部件的影响。
外部负载在很大程度上取决于集成电机的车辆类型，因为驾驶风格、驾驶周期和车辆占用率的变化会导致车辆的质量和重心（CoG）发生变化。例如，由于轮胎与道路之间更恶劣的相互作用，重型商用车和越野车上的电动机将承受更高的外部负载。
此外，主要由振动和弯矩组成的地面引起的或道路引起的负载可以通过轮胎作用于电动机。相反，这些必须通过轮辋和轴承传递到转向节（然后继续传输到车辆底盘）。
为了在面对特别恶劣的道路引起的负载时准确预测和评估电机部件的结构完整性要求，Elaphe使用SUV来模拟严重的制动和转弯场景。测试调查了CoG加速和所有四个车轮上的外部侧向载荷 - 特别严重的转弯在汽车的右轮胎之一上产生大约14000 N的力。
根据SAE标准（包括SAE J175和J1981）对L1500上的外部载荷进行了额外的模拟，例如来自坑洼，路缘或其他与崎岖道路有关的问题，用于道路车辆车轮和轮胎的冲击测试。
在通过CAD仿真迭代新L1500设计的关键方面之前，Elaphe首先选择关键的外围部件（包括轮辋，制动器和轴承），以确定为定子和转子留出多少空间。
为了充实外壳和电机接口的理想设计，Elaphe的技术专家进行了"拓扑优化"。这些从具有目标结构刚度水平的每个组件的模糊CAD近似开始，然后反复将它们暴露于不同的载荷模拟（包括不同的组合和数量），经过数十次迭代。
关于L1500的电机最终验证，可以参考如下。
进行热机械模拟以检查转子和定子之间的气隙如何由于严重的热量和冲击而变形。这些模拟必须表明变形程度永远不会超过某个（未公开的）值，从而确保绕组或永磁体之间不会发生冲击。
一旦通过CAD和FEA分析确认了所有设计选择，就可以构建电机变体的原型，并在公司的测试台上进行一系列测试，以验证模拟的准确性。
L1500 上的测试包括机械冲击测试。这些冲击包括18个冲击，每个冲击的测量值为100 g（有效），以及60个冲击，每个冲击50 g。
通过结合振动台和热室，在水平、垂直和轴向方向上施加高达 2000 Hz 和 40 g 的力的振动，还测试了随机振动耐久性。与之前的疲劳模拟一样，这两项测试均按照 ISO 16750-3：2007 标准进行。
除了内部测试设施外，Elaphe有时还使用第三方测试设施进行更常规或专业的测试，例如振动，冲击，环境IP等级和EMC。
接下来，结合Elaphe专利，看下电机结构如何。
专利US2015/0137669 A1轮毂电机包括至少转子1、转子板2、转子管3、轴承系统4和制动系统5，其连接方式使转子板2拧或通过其他方式连接到转子管3和轴承系统4，其中转子管3的开口和定子1的开口位于从任何方向看的比最大制动系统5或轴承系统4的横截面大的至少一个轴向面上。制动系统5集成在轴承系统4和定子1的活动部件之间。如图所示，通过这种设计，电机及其部件实现了简单的拆卸和组装。如果不需要，定子1可以组装成一个部件或作为更多部件的组件，如定子板和定子管。如果使用一块，那么铸造是一种可能的生产方法。
为减少焊点及减少端部高度，定子采用波绕组线，专利US 9,601,957 B2显示了紧凑多相波绕组6。电机在转子铁芯1上有偶数个磁钢2。磁体在径向方向磁化，磁化方向在切向方向交替。磁通量通过定子铁芯3传递。齿4和槽5的数目小于磁周期数K乘以相数的4到2倍。定子极数保持在40个以上。
需要注意的是，在开发轮毂电机技术的早期，原型中转子磁钢主要使用N40UH磁铁（最高工作温度为180°C），以确保良好的热性能，后凭借经验和优化的模型精度，用N40SH取代了N40UH，后者的温度等级为150°C。
用于粘接槽中永磁体的粘合剂的选择以类似于转子和定子结构的方式进行测试和验证。其耐用性和耐用性在温度循环，负载循环，湿度，冲击和振动中进行了检查。
下图是L1500 定子在安装盘式制动器之前（左）和（之后）。绕组已采用Elaphe的定制树脂灌封。
从结构上，也可以看到Elaphe电机控制器并不是集成在轮毂内部，而是外部集成在底盘上，与其他控制器一起工作。
任何技术路线的决策都伴随着市场的判断，根据Elaphe的描述，这种选择是由一系列原因驱动的。
首先，公司观察到轮毂电机市场有非常多样化的要求，有许多不同的车辆和价值主张。因此，Elaphe预计每台电机都会进行大量的定制和不同的生产周期。鉴于这种对典型轮毂电机客户保持灵活性的需求，围绕集成逆变器设计电机将意味着提高每个客户的设计和组件成本。由于初始价格较高，这可能会降低采用率。
Elaphe认为的优点如下
在底盘上，逆变器上的环境和结构负载要低得多，并且它不会像车轮内部那样造成任何簧下质量或热约束。因此，线束中有三根高柔性相位电缆和两根信号电缆，用于将逆变器连接到L1500。
没有锁定的逆变器也为在动力总成范围内降低成本开辟了可能性。例如，电动汽车设计人员可以选择在单个外壳中集成双逆变器，这可以使用单循环冷却系统，共享单个逻辑板，更快的全轴控制通信等。
随着封装和冷却要求随着不同的逆变器技术和拓扑结构而变化，将逆变器安装在车辆底盘上意味着与试图将全新的逆变器强制进入旧逆变器的空间相比，它可以相对容易地更换。
注：从上述的内容，可以清晰的看到Protean和Elaphe选择的是两种截然不同的技术路线，比如控制器的集成。阅读过上期的文章的读者，会发现笔者其实是更倾向于Protean方案，但是Elaphe选择的另外一种。
这两种方案均有优缺点，每个人都会有自己的看法和决策。笔者在这里要说的是，在没有任何数据支持的情况下，可以挑战并保持自己的第一想法，但千万不要去彻底否定，保持怀疑和期待的态度去证实就好了。
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