增程式電動汽車高效緊湊型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機設(shè)計

王升平 吳柏禧 景玉軍 郭美華

摘 要：增程式電動汽車的發(fā)展主要依賴于增程器技術(shù)，發(fā)電機是增程器的核心部件。開發(fā)設(shè)計高效緊湊型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機更符合未來增程式電動汽車的發(fā)展趨勢，文中對外轉(zhuǎn)子發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、關(guān)鍵零件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和驗證，根據(jù)設(shè)計參數(shù)制作了樣機進(jìn)行試驗，基本滿足發(fā)電機的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：電動汽車;增程器;外轉(zhuǎn)子;永磁同步發(fā)電機

1 引言

增程式電動汽車在動力電池電量不足及無需停車的情況下，增程器系統(tǒng)根據(jù)工況需要做出功率分配，一方面可以通過驅(qū)動力控制系統(tǒng)直接驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)保障汽車正常行駛，另一方面還能給電池充電增加電動汽車的續(xù)航里程。同時，電動汽車增程器不會在電池虧電狀態(tài)下工作，這可大大延長電池的使用壽命。增程式電動汽車消除了純電動汽車電池容量不足行駛里程短的缺陷，經(jīng)過近十年的發(fā)展，已被人們普遍認(rèn)可，并被認(rèn)為是未來電動汽車發(fā)展的重要方向。能否開發(fā)出油耗低、排放好、性能優(yōu)越的增程式電動汽車主要依賴于增程器技術(shù)。增程器作為該車型的核心部件，對其有效開發(fā)將直接決定增程式電動汽車技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。發(fā)電機作為增程器系統(tǒng)中重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，是急需需解決和完善的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此研究和開發(fā)用于增程器的緊湊型、高效型發(fā)電機迫在眉睫、刻不容緩。外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機，由于具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量大、效率高、散熱好等優(yōu)點更符合發(fā)電機緊湊高效的要求，是未來增程器用發(fā)電機的發(fā)展趨勢[1]。本文將涉及研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，適用于增程式電動公交車、輕型商務(wù)車的新型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機技術(shù)。

2 發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)設(shè)計

2.1 外轉(zhuǎn)子發(fā)電機結(jié)構(gòu)特征及主要性能優(yōu)勢

本文設(shè)計的新型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機，工作原理雖然與傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機相同，都是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使定子繞組切割磁力線產(chǎn)生感生電流，但結(jié)構(gòu)不相同。外轉(zhuǎn)子發(fā)電機的特點是定子固定在靠軸中間位置不動，轉(zhuǎn)子在定子的外圍旋轉(zhuǎn)，屬徑向氣隙磁通結(jié)構(gòu)，與內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比是轉(zhuǎn)子與定子換了個位置，即轉(zhuǎn)子在外、定子在內(nèi)，反之常見的內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機則是定子在外、轉(zhuǎn)子在內(nèi)。外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機主要由端蓋、機座、外轉(zhuǎn)子支撐、定子鐵芯、內(nèi)機殼、轉(zhuǎn)子磁軛、永磁體磁極和中間轉(zhuǎn)軸等零件組成，其整機三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。與驅(qū)動電機復(fù)雜的運行工況相比，外轉(zhuǎn)子發(fā)電機主要是在額定點狀態(tài)下工作來為電池充電，具有轉(zhuǎn)動慣量、氣隙直徑和電磁轉(zhuǎn)矩都較大的性能，并具有發(fā)電機多極數(shù)設(shè)計易于實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)緊湊質(zhì)量輕、散熱容易、繞組工藝比內(nèi)轉(zhuǎn)子電機簡單等諸多性能優(yōu)勢。

2.2 外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機主要參數(shù)設(shè)計

根據(jù)車型匹配要求，發(fā)電機的額定功率設(shè)定為65 kW，額定轉(zhuǎn)速3080r/min，工作轉(zhuǎn)速范圍1000-3080r/min。結(jié)合該電機工作特征，初步算出定子、轉(zhuǎn)子的直徑，再參照同規(guī)格發(fā)電機的設(shè)計經(jīng)驗，確定定子鐵芯外徑244.4mm，內(nèi)徑164mm;轉(zhuǎn)子的外徑278mm，內(nèi)徑246mm;鐵芯長度均為90mm。針對發(fā)電機的電磁方案設(shè)計，電機的極數(shù)與電機的電磁轉(zhuǎn)矩成正比，電機極數(shù)越多越能獲得大的轉(zhuǎn)矩[2]，為了保證正弦性的氣隙磁密波形和小的轉(zhuǎn)矩波動，使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行，磁場結(jié)構(gòu)設(shè)計成磁極32極，定子24槽的多極結(jié)構(gòu)，如圖2所示。永磁體厚度、寬度、繞組匝數(shù)、定子齒寬等參數(shù)的設(shè)計，對發(fā)電機性能影響很大，除了經(jīng)驗設(shè)計外，還應(yīng)多方案計算擇優(yōu)選擇。根據(jù)圖2中標(biāo)注的尺寸設(shè)計定子齒寬、永磁體寬度、永磁體厚度時，用有限元計算得到方案的齒槽轉(zhuǎn)矩4.35 N·m。發(fā)電機的主要參數(shù)如表1。

3 發(fā)電機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及零件強度校核

發(fā)電機的磁場參數(shù)確定后，對發(fā)電機的部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計及強度驗證，其中分析計算主要使用有限元法。

3.1 轉(zhuǎn)軸設(shè)計及強度校核

轉(zhuǎn)軸設(shè)計采用中部鏤空結(jié)構(gòu)，盡量去除軸內(nèi)多余材料，實現(xiàn)減輕電機重量目的。選用 42CrMo為軸的材料，材料密度為7850 kg·m-3，彈性模量1.6e11Pa，泊松比0.24，材料經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。軸的應(yīng)力分布云圖通過靜力學(xué)計算獲得，如圖3（a），花鍵根部處應(yīng)力最大，將是破壞最嚴(yán)重的部位，最大von-Mises 應(yīng)力為98.9 Mpa，小于材料的屈服強度。發(fā)電機軸在工作時承受周期載荷，需對軸進(jìn)行疲勞分析，施加的載荷設(shè)為正弦周期性，計算得到軸的安全系數(shù)為1.8以上，如圖3（b），壽命最短的地方仍為花鍵的根部。

3.2 鉚釘設(shè)計與強度校核

設(shè)計12顆高強度鉚釘連接發(fā)電機轉(zhuǎn)子支撐與轉(zhuǎn)軸，如圖4（a）所示。傳遞轉(zhuǎn)矩時，鉚釘主要受剪切應(yīng)力。按軸載荷的邊界條件同樣施加極限載荷，鉚釘材料屬性按密度7850 kg·m-3，彈性模量2e11Pa，泊松比0.3設(shè)置，其應(yīng)力分布如圖4（b），可看出鉚釘上支撐與轉(zhuǎn)軸的交接處應(yīng)力最大（見b圖紅色區(qū)域），最大von-Mises應(yīng)力為39.39 Mpa，比材料極限屈服應(yīng)力低，因而鉚釘屈服、斷裂現(xiàn)象不會出現(xiàn)。

3.3 定子繞組集成設(shè)計

為了便于實現(xiàn)自動化和批量生產(chǎn)，定子鐵芯齒部設(shè)計為平行直齒，并設(shè)計集成繞組，在絕緣骨架上先纏繞銅線，再將繞組與骨架整體一同插入定子鐵芯的直齒上，如圖5所示，極大地降低了復(fù)雜的繞線工藝難度。

3.4 內(nèi)置水冷散熱系統(tǒng)設(shè)計

增程式電動汽車外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機實現(xiàn)高功率密度功能目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，就是高效冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，因此實施對發(fā)電機溫升的控制成為了該電機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計時，為了減小熱阻，通過過盈配合將定子鐵芯與內(nèi)機殼表面裝配一起，位于基坐體后端蓋處的冷卻水出入口與機殼內(nèi)的冷卻水道連接，因而內(nèi)置的冷卻系統(tǒng)能夠有效的將發(fā)電機內(nèi)部的熱量帶走，使電機處于低溫升的工作狀態(tài)[3]。

4 結(jié)語

高效緊湊型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機的設(shè)計涉及電機電磁設(shè)計、電機輕量化設(shè)計、高功率密度設(shè)計、“內(nèi)置水冷”冷卻系統(tǒng)設(shè)計及發(fā)電機溫度場仿真研究、NVH性能研究等多項技術(shù)難題，本文只是研究工作中的極小部分內(nèi)容的呈現(xiàn)，各種有限元仿真設(shè)計、試驗樣機的試制和驗證都取得預(yù)期成果，可基本實現(xiàn)發(fā)電機的技術(shù)要求，后續(xù)更多技術(shù)難點將會繼續(xù)開展深入研究和完善。

基金項目：廣東省普通高校科研平臺項目“新能源汽車增程器外轉(zhuǎn)子永磁同步電機關(guān)鍵技術(shù)研究”（2018GKTSCX024）。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭美華，王升平.增程式電動汽車發(fā)電機技術(shù)研究概述[J]. 時代汽車，2019，8（316）：33-34.

[2] 謝培利，席榮盛，崔友. 新能源汽車增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機設(shè)計[J]. 裝備制造技術(shù)，2017，11：85-88.

[3] 王升平，郭美華，何佳兵. 增程式電動汽車新型外轉(zhuǎn)子發(fā)電機水道設(shè)計[J]. 汽車零部件，2019，12：42-45.