新能源車用ISG電機氣隙的研究

李 寧，王 瑛，強大壯，舒丹丹

(朝陽師范高等專科學校，遼寧朝陽122000)

【應用研究】

新能源車用ISG電機氣隙的研究

李 寧，王 瑛，強大壯，舒丹丹

(朝陽師范高等專科學校，遼寧朝陽122000)

ISG電機現廣泛應用于混合動力、增程式純電動等新能源車輛中．因ISG電機安裝復雜，因此對其結構、裝配工藝都有較高要求，合理的氣隙是決定電機性能的關鍵．通過分析新能源車用ISG電機在整車中的不同連接形式，探索了ISG氣隙的設計原則．以某增程式純電動ISG電機結構為例，通過計算其安裝偏差，并結合仿真測試性能及實車測試，分析安裝工藝對ISG電機性能的影響，為ISG電機關鍵部件的設計提供參考．

ISG；氣隙；裝配

0 引言

迫于環境污染和能源緊缺的雙重壓力，各大汽車制造商紛紛開展新能源汽車的研發工作．ISG(Integrated Starter Generator)電機廣泛應用于混合動力、增程式純電動等新能源汽車中，盡管使用ISG電機的方案對原車改動小，但因其多安裝在發動機及變速箱間，故對其結構設計及裝配提出了較苛刻的要求．本文主要探討ISG電機氣隙的選取，以及裝配形式對氣隙的影響．

1 ISG電機的裝配形式

ISG電機可分為同軸布置和非同軸布置兩種裝配形式．目前，同軸布置為主流的裝配方案，主要有三種類型：一是電機裝在曲軸上的方案；二是電機置于變速器輸入軸的方案；三是裝在兩個離合器之間的方案．非同軸布置的電機一般通過任意一種驅動裝置連接．對于ISG電機來說，采用盤式轉子的優點是轉子孔的內腔可以用來安裝主動的機器部件．在裝有自動變速器的汽車上就可以利用這個內腔，這樣可以更好地利用空間．除以上兩種裝配形式外，也有少數其他的方案，如將起動機發電機布置在輔助驅動裝置中等．

此外，發動機和電機的裝配方式也不盡相同．一種是將電機直接安裝在內燃機曲軸輸出端，并且ISG轉子要與曲軸固定連接，取代飛輪及原有的起動機和發電機．最有名且最簡單的一種裝配形式是，在發動機前端用皮帶傳動機構將ISG電機和發動機聯接起來，并把起動機同樣連接在ISG電機的機構中，這樣可以節省內部空間[1]．

2 基于氣隙原則的ISG電機的裝配分析

本文以最常用、最簡單的裝配形式，即用螺栓將電機轉子直接固定在曲軸上，以代替傳統飛輪為例，分析ISG電機裝配對氣隙的影響．由于空間有限，ISG大多采用扁平形結構，同時功率也不能太大，對電機的結構及裝配后是否影響氣隙提出了嚴格的要求．

2.1 ISG電機氣隙的選取

電機在設計初期，應給出合理的氣隙．理論上電機的氣隙越小越好，但組裝問題是個關鍵，同時還應考慮氣隙對其他方面的影響，如振動、噪音，以及電機運行的可靠性．因此，實際中電機的氣隙并不是很小，因為三相繞組產生的磁勢并不是正弦的，而是含有豐富的諧波分量，氣隙越小，這些諧波分量對振動的影響就越大．另外，還要考慮到加工誤差以及裝配誤差，定轉子安裝之后是不可能同心的，這就存在一個偏心的問題．存在偏心會導致單邊磁拉力存在，氣隙越小，偏心率就越高，單邊磁拉力也就越大．大的磁拉力會使得轉子發生形變，而轉子形變又將進一步增大定轉子偏心，但如果氣隙太小，會導致發生轉子掃膛的嚴重后果[2]．

目前，ISG電機主要為永磁同步電機，一般永磁電機氣隙通常比異步電機大，是因為永磁體能提供較為穩定的磁場，如果氣隙過小，將會導致磁場畸變增大，轉速降低．為了裝配需要通常會設計得大一些．轉子直徑越大，間隙越大，目前氣隙范圍一般在0.35～1.5 mm之間．

2.2 ISG電機的裝配分析

因為ISG轉子與曲軸用螺栓連接，故ISG電機安裝與傳統的電機有區別，且設計時要更多地考慮轉子、定子、機殼等與周邊零件的連接與配合情況．裝配過程中產生的裝配間隙，將直接影響氣隙，進而影響電機性能[3、4]．

下面以某增程式純電動ISG電機為例進行分析．該電機具有典型性，采取的是轉子與發動機曲軸用螺栓連接的方案，根據發動機結構、變速箱結構以及整車布置的要求，ISG電機的三維結構如圖1所示．

綜合考慮ISG電機的性能及安裝環境，此ISG電機定、轉子氣隙設計為0.8 mm．ISG電機各部件尺寸及公差如下：

(1)定子通過前端蓋間接安裝到發動機殼體上．

①前端蓋與發動機殼體通過兩個空心銷定位安裝．

發動機殼體銷孔：Φ12.5H7 (0.018，0)，深8，位置度Φ0.08；空心銷：Da12.5m6(0.018，0.007)，Di10.4，L10；前端蓋銷孔：Φ12.5S7 (-0.021，-0.039)，位置度Φ0.1．

②定子與前端蓋通過止口定位安裝．

前端蓋止口位置：Φ246h7(0.-0.046)；定子止口位置：Φ246H7(0.046，0)．

(2)轉子通過止口安裝到發動機上．

曲軸上止口：Φ35H7(0，-0.016)；轉子上止口：Φ35H7(0.025，0)．

計算定、轉子安裝后的間隙實際上是計算定、轉子軸線的偏移量e．

emax=e3+(e1+e2)．

e1為發電機前端蓋安裝到發動機后，前端蓋軸線與發動機曲軸軸線的偏移量．前端蓋通過銷與發動機安裝，發動機上銷孔有位置度要求，銷孔偏離理想位置0.08/2 mm，前端蓋安裝到發動機后(通過銷安裝，銷與前端蓋過盈配合，看作一個整體)也會偏移0.08/2 mm；同理，前端蓋上銷孔偏離理想位置0.1/2 mm．此外，發動機上銷孔與前端蓋上銷存在間隙為(12.5+0.018)/2-(12.5-0.007)/2 mm，得出：e1=0.08/2+0.1/2+(12.5+0.018)/2-(12.5+0.007)/2=0.0955 mm．

e2為發電機定子安裝到前端蓋后，發電機定子軸線與前端蓋軸線的偏移量．發電機定子通過止口定位安裝到前端蓋．e2=(246+0.046)/2-(246-0.046)/2=0.046 mm．

e3為轉子安裝到發動機后，轉子軸線與發動機曲軸軸線的偏移量．發電機轉子通過止口定位安裝到發動機上．e3=(35+0.025)/2-(35-0.016)/2=0.0205 mm．

因此，emax=e3+(e1+e2)=0.020 5+0.046+0.095 5=0.162 mm．

2.3 裝配偏差對電機系統性能的影響

針對0.162 mm的極限裝配偏差結果，從以下方面對裝配誤差造成的氣隙問題進行分析：

2.3.1 電機電磁性能下降問題

應用仿真軟件評估了電子轉子偏心對電機反電勢、齒槽轉矩、峰值轉矩的影響．從分析結果來看，偏心0.162 mm對電機的影響較小，仍滿足電機的性能，具體結果如圖2所示：

2.3.2 振動、噪聲、旋轉變壓器精度問題

由于振動、噪聲、旋轉變壓器精度均無法用軟件進行評估，因此進行實車測試判斷．根據實車路試，電機的噪聲、振動、旋轉變壓器的精度都在允許范圍內，故證明此ISG電機的結構及安裝形式滿足國標對NVH的要求．

3 結論

合理的氣隙是決定電機性能的關鍵，通過本文案例分析，得出以下結論：(1)設計中關鍵零件配合尺寸的精度越高，裝配中產生的偏差越小，但是也對零件加工提出了更高的要求，因此氣隙與零件結構的設計需找到平衡點；(2)設計中應盡量簡化ISG電機的結構，避免增加間接連接件．裝配時，先裝配定子或是轉子，取決于ISG電機的結構及難度．以上結論可為ISG電機關鍵零件尺寸及裝配提供參考，但文中只分析了最典型的ISG電機的裝配形式，其他裝配形式的分析有待進一步研究．

[1]阿爾弗雷德·克拉普爾.起動機——發動機一體化技術(ISG)未來汽車設計的基礎[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[2]唐任遠.現代永磁電機：理論與設計[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]冒曉建.并聯式ISG混合動力總成設計與性能優化研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[4]李鵬，左建令. ISG型輕度混合動力汽車系統概述[J].農業裝備與車輛工程，2007,(1)：3-6.

(審稿人 趙 琰 鄧景茹，責任編輯 王 巍)

The study of ISG motor air gap used in new energy vehicles

LI Ning, WANG Ying, QIANG Da-zhuang,SHU Dan-dan

(Chaoyang Teachers College, Chaoyang Liaoning 122000)

Nowadays, ISG motor is widely used in new energy vehicles as Plug-In Electric-vehicles and Hybrid Vehicles. Because the installation of ISG motor is complex, its structure and assembly process need higher request. The reasonable air gap decides the performance of the motor. This paper explores the design principle of ISG air gap by analyzing the different connection forms of ISG motor in the new energy vehicle. Taking the ISG motor structure of a certain Plug-In Electric-vehicle as an example, the influence of the installation process on the performance of ISG motor is analyzed by the calculating of the installation deviation as well as the simulation test and vehicle test, which can provides a reference for the design of key ISG motor components.

ISG; air gap; assembly

2015—12—20

李寧(1984-)，男，遼寧北票市人，講師，主要從事新能源汽車方面研究．

TM351

A

1008-5688(2017)01-0087-03