客車用永磁同步電機轉子結構優化與分析

徐天稷 張南 楊通

摘 要：為設計一款可滿足8.5米客車用行星排混動系統，且充分考慮可匹配國內各主流客車企業相關車型，經分析統計整車軸向布置空間限制問題尤為突出，因此，為控制行星排混動系統軸向長度，對電機轉子結構進行優化設計和仿真分析，同時，也為客車用永磁同步電機的輕量化、小型化設計積累了經驗，具有一定的參考意義。

關鍵詞：永磁同步電機 軸向布置空間 轉子結構 計算校核 仿真分析

1 引言

混合動力系統較純電動動力系統具有動力性強、不受充電設備限制等優勢，其中，行星排混合動力系統較串聯式、并聯式、同軸混聯式混動系統，在動力性、經濟性、成本等方面更體現出明顯優勢。但由于為雙電機+行星排變速箱結構，軸向長度較長成為整車布置過程中的限制條件，相較于10.5米、12米客車，8.5米客車布置行星排混動系統時，軸向布置空間更是顯得十分緊張。因此，為滿足整車布置要求行星排混動系統需對電機轉子結構進行優化設計。

2 方案分析

行星排混合動力系統由驅動電機、發電機和行星排變速箱構成，由于行星排混動系統對驅動電機與發電機扭矩需求較小，且電機轉軸僅與行星齒輪機構相連接，不直接與發動機和后橋傳動軸相連接。綜上，電機轉子結構傳遞扭矩和承受軸向載荷均較小。

本文以行星排混動系統發電機結構為例進行方案優化分析，根據行星排混動系統需求，轉子套筒與轉軸之間的過盈配合需滿足傳遞扭矩250Nm的要求。原始方案結構模型，如圖1所示。

3 計算校核

參考《機械設計》中關于過盈連接的理論計算方法，設計轉子套筒與轉軸之間的最小過盈量為0.043mm，詳細原始方案相關結構參數，如表1所示：

由于采用壓入法裝配時，配合表面的微觀峰尖將被擦去或壓平一部分，故考慮壓平量的最小有效過盈量為：

式中，Ra1、Ra2——包容件、被包容件表面粗糙度;

由于采用熱脹法裝配時，理想狀態下配合表面的微觀峰尖無擦去或壓平現象，故最小有效過盈量為：

接觸壓力：

式中，C1、C2——包容件、被包容件引用系數;

E1、E2——包容件、被包容件彈性模量;

可傳遞最小扭矩：

安全系數：

若單純依靠過盈配合傳遞扭矩為250Nm時，由上述公式理論計算安全系數為1.7～3.9之間，由于在實際裝配中采用熱脹法無法達到理想配合狀態，所以原始方案存在一定的設計風險。

4 優化分析

通過上述公式可知，在金屬材料不變的前提下，影響安全系數的尺寸參數主要有過盈量、配合直徑、配合長度等三個因素。由于考慮到金屬材料性能與實際熱脹工藝水平，為保證產品可靠性和裝配效率，過盈量因素已無法優化;為綜合考慮裝配零部件的工藝性、經濟性及合理性，配合直徑的調整范圍也十分有限，無法達到預期優化效果;因此，調整配合長度為該結構的唯一有效手段，但又因受整車軸向布置空間限制，需在不改變行星排混動系統軸向尺寸的前提下，優化配合長度，如圖2所示。

優化方案在原始方案的基礎上取消限定轉子套筒軸向位置的卡簧，用軸承替代原始方案卡簧以限定轉子套筒軸向位置，此方案可在混動系統整體軸向尺寸不變的基礎上，一定程度上增加轉子套筒與轉軸之間的配合長度，可提升此處結構的穩定性與安全系數，詳細優化方案相關結構參數，如表2所示：

5 仿真分析

由于使用公式計算無法將實際運行過程中溫度場的影響考慮進去，而溫度對過盈配合傳遞扭和承受載荷能力又產生十分重要影響。因此，使用ANSYS軟件進行仿真分析，并設定溫度場在此結構處的邊界條件。經上述公式計算校核結果，壓入法安全系數較熱脹法低，為考慮極端惡劣情況，仿真分析時設定邊界條件為壓入法參數，即設置最小過盈量為0.02252mm（單邊尺寸）并對原始方案和優化方案進行對比分析。原始方案仿真分析結果，如圖3所示。優化方案仿真分析結果，如圖4所示。

根據仿真分析結果，優化方案安全系數2.1大于原始方案安全系數1.8。同時，對優化方案轉子套筒承受軸向載荷能力進行仿真分析，仿真結果為承載力F=12179N，如圖5所示。為后期樣機試驗和整車驗證提供相關性能參數指標，同時，也對行星排機構的斜齒設計提供參考。

6 總結

根據計算校核和仿真分析結果可知，優化方案可在保證不增加混動系統整體軸向尺寸的前提下，有效增加轉子套筒與轉子之間的配合長度，進而提高實際傳遞扭矩和承受軸向載荷的能力。此外，對于傳扭和承載要求不高的動力系統條件下，應用此優化結構可提升動力系統結構的緊湊性，為客車用永磁同步電機的輕量化、小型化設計積累了經驗，具有一定的參考意義。

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