新能源汽車(chē)用輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)分析

張之劍 楊緒平

摘 ?要：文章敘述了新能源汽車(chē)對(duì)電機(jī)的基本要求，并對(duì)一種新型混合動(dòng)力電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)展開(kāi)分析探討。隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展及汽車(chē)保有量的快速增加，能源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重。人們對(duì)更清潔、更環(huán)保、來(lái)源更豐富的新動(dòng)力展開(kāi)了研究探索。新能源汽車(chē)是指采用非常規(guī)車(chē)用燃料作為動(dòng)力來(lái)源（或使用常規(guī)車(chē)用燃料、采用新型車(chē)載動(dòng)力裝置），綜合車(chē)輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)的主要構(gòu)成部分，以電驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)，不僅在能源、環(huán)境等方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性和競(jìng)爭(zhēng)力，而且能夠利用現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化目標(biāo)，因而有著廣闊的發(fā)展前景。電機(jī)作為動(dòng)力輸出的執(zhí)行單元成為研究的熱點(diǎn)。考慮復(fù)雜環(huán)境、高功率要求和寬調(diào)速范圍的電機(jī)設(shè)計(jì)成為研究的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：新能源;電動(dòng)機(jī);模態(tài)分析

一、新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本性能要求

新能源汽車(chē)用電機(jī)在滿足汽車(chē)行駛時(shí)對(duì)扭矩的要求，還需要考慮行駛舒適性、環(huán)境適應(yīng)性和單次充電續(xù)航里程等要求。同時(shí)應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)的電機(jī)，需要安裝在汽車(chē)動(dòng)力總成內(nèi)狹小的空間內(nèi)，其工作環(huán)境（高溫、散熱條件差、耐油腐蝕等）比普通電機(jī)惡劣的多。所以此類(lèi)電機(jī)比普通工業(yè)用電機(jī)具有更加嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范及性能要求。

二、電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件組成。定子與普通感應(yīng)電機(jī)基本 ? ?相同，也采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗。轉(zhuǎn)子鐵心可以做成實(shí)心的，也可以疊片沖壓而成。永磁同步電機(jī)的種類(lèi)繁多，按照定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形的不同，可以分為正弦波永磁同步電機(jī)（PMSM）和梯形波永磁同步電機(jī)（BLDC）。正弦波永磁同步電機(jī)定子由三相繞組以及鐵芯構(gòu)成，電樞繞組常以Y 型連接，采用短距分布繞組。氣隙場(chǎng)設(shè)計(jì)為正弦波，以產(chǎn)生正弦波反電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子采用永磁體代替電勵(lì)磁，根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同，正弦波永磁同步電機(jī)又分為三類(lèi)：表面式、內(nèi)置式和爪極式。正弦波永磁同步電機(jī)屬于自控式電機(jī)，只是電動(dòng)機(jī)的定子反電勢(shì)和電流波形均為正弦波，并且保持同相，其可以獲得與直流電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩特性，而且能實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速特性。

三、三維實(shí)體電機(jī)模型的建立

驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在電動(dòng)汽車(chē)前艙，由于汽車(chē)前艙布置了很多零部件，結(jié)構(gòu)也很緊湊，預(yù)留給電機(jī)的空間有限，根據(jù)整車(chē)對(duì)電機(jī)三維尺寸的需求，電機(jī)的外形尺寸定為：長(zhǎng)394mm，寬260mm，高298mm。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要組成部件包含：定子、轉(zhuǎn)子、前端蓋和后端蓋等部件。

（一）定子建模

定子包含鐵芯和機(jī)殼，鐵芯外徑為210mm，內(nèi)徑136mm，采用48槽，長(zhǎng)度為118mm，如圖2所示。

（二）轉(zhuǎn)子建模

轉(zhuǎn)子包含電機(jī)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯和磁鋼。電機(jī)軸采用階梯軸，電機(jī)與減速器是通過(guò)花鍵嚙合，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度很高，所以電機(jī)軸的最小直徑不能設(shè)計(jì)地過(guò)小，電機(jī)軸的剛度應(yīng)滿足電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的需求。如圖3所示。

轉(zhuǎn)子鐵芯采用的是分段磁極，這樣做可以很大程度地削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)子鐵芯分段設(shè)置時(shí)，兩段的磁極錯(cuò)開(kāi)一定角度，兩段的力矩部分抵消，使得力矩脈動(dòng)減小，從而使電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)性好，電機(jī)的起動(dòng)電壓降低，汽車(chē)起動(dòng)和加速性能更加平穩(wěn)。轉(zhuǎn)子疊片可以通過(guò)圓環(huán)與軸之間的過(guò)盈配合壓緊。轉(zhuǎn)子的磁極采用“V”形狀，轉(zhuǎn)子包含八個(gè)磁極，轉(zhuǎn)子外徑為135mm，長(zhǎng)度為120mm。硅鋼片上沿軸向均勻分布圓孔，用于減輕電機(jī)的重量，同時(shí)沖壓了“V”型槽，用于安裝永磁體。

（三）電機(jī)總裝

由于電機(jī)工作范圍比較特殊，必須防塵防灰，采用密封式的設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)接線盒和旋變保護(hù)蓋的作用就是為了封閉電機(jī)。電機(jī)控制是通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)的，由于旋轉(zhuǎn)變壓器是比較敏感的元器件，所以旋轉(zhuǎn)變壓器 對(duì)安裝精度要求比較高，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子與電機(jī)后端蓋通過(guò)止口定位，旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸同軸。電機(jī)總裝圖如下圖所示。

四、新型混合動(dòng)力汽車(chē)電機(jī)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，混合動(dòng)力汽車(chē)采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)協(xié)同工作的模式，有效減小了燃油消耗和污染物排放，同時(shí)與純電動(dòng)相比，不受續(xù)航里程限制，因此成為目前新能源汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)之一。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展至今，目前新能源電機(jī)采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有四大類(lèi)：直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。各種系統(tǒng)具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中永磁同步電機(jī)以無(wú)可比擬的轉(zhuǎn)矩密度、效率及調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢(shì)，在絕大多數(shù)新能源汽車(chē)中得到了很好的應(yīng)用。但對(duì)于混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的單軸并聯(lián)式ISG混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于安裝空間有限，功率密度要求高等要求，永磁同步電機(jī)成為首選。同時(shí)ISG混合動(dòng)力汽車(chē)只需要對(duì)內(nèi)燃機(jī)做簡(jiǎn)單改造實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力技術(shù)，改造成本低，容易批量生產(chǎn)。

1.散熱分析

混合動(dòng)力汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，功率大體積小，受散熱條件限制，其大部分的功率區(qū)都無(wú)法滿足穩(wěn)態(tài)持續(xù)運(yùn)行的條件，電機(jī)主要以高功率短時(shí)運(yùn)行為主。但是通過(guò)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算，可以了解電機(jī)各部分的熱阻特性以及水冷系統(tǒng)的散熱性能等重要參數(shù)，比如在保護(hù)溫度下的最大散熱功率、可穩(wěn)態(tài)持續(xù)運(yùn)行的最大相電流、最大溫升發(fā)生的位置以及最大熱阻所在位置等。這些參數(shù)對(duì)指導(dǎo)電機(jī)散熱措施的設(shè)計(jì)有重要意義。

2.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)分析

對(duì)電機(jī)各部分結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核及振動(dòng)模態(tài)分析，仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足電機(jī)運(yùn)行工況需求。

3.試驗(yàn)樣機(jī)

在以上電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫度場(chǎng)仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，試制了一臺(tái)ISG混合動(dòng)力電機(jī)。并準(zhǔn)備卜測(cè)試臺(tái)架測(cè)試。

五、結(jié)語(yǔ)

新能源汽車(chē)對(duì)作為新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件電機(jī)提出越來(lái)越高的要求，永磁體同步電機(jī)以其自身的優(yōu)勢(shì)在新能源中所占比重越來(lái)越大。作為汽車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)所必須的部件，其設(shè)計(jì)也越來(lái)越重要，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不能夠滿足此類(lèi)電機(jī)設(shè)計(jì)的需要。設(shè)計(jì)過(guò)程必須把電磁仿真、溫度場(chǎng)仿真和結(jié)構(gòu)仿真結(jié)合起來(lái)。對(duì)一臺(tái)單軸并聯(lián)式ISG電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)探討，并對(duì)電磁性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、不同工況電機(jī)散熱情況、電機(jī)不同結(jié)構(gòu)部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)進(jìn)行了分析。

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