趙金國(guó)，張啟航，李浩杰

(1.西京學(xué)院 機(jī)電技術(shù)系，西安710123;2.西安交通大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，西安710049;3.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安710049)

0 引 言

能源環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯促進(jìn)了電動(dòng)汽車的發(fā)展，現(xiàn)有電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)型式分為集中驅(qū)動(dòng)和輪轂驅(qū)動(dòng)，輪轂驅(qū)動(dòng)中的輪轂電機(jī)尤其受到關(guān)注。輪轂驅(qū)動(dòng)與集中驅(qū)動(dòng)相比，省去了變速箱、差速器、傳動(dòng)軸等傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于汽車輪轂內(nèi)，直接給汽車提供動(dòng)力，使傳動(dòng)鏈變短，因而提高了機(jī)械傳動(dòng)效率，也給整車布置帶來(lái)了極大地便利?，F(xiàn)有的輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)，電機(jī)外轉(zhuǎn)子不是整個(gè)包裹式，只是包括與車輪連接的輸出端和外徑，另一端為固定端，此舉增大了電機(jī)與汽車懸架的固定面積，也增加了機(jī)械的可靠性。但電機(jī)內(nèi)部為一套輪轂軸承雙列角接觸軸承，實(shí)際操作中，軸承難以承受汽車重力、磁鋼吸力、電機(jī)驅(qū)動(dòng)力等疊加力，由此造成了軸承壽命減小，軸承游隙大，轉(zhuǎn)子擺動(dòng)大，較大程度地影響電機(jī)整體性能[1]。

本文提出了一種電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)方法，其重點(diǎn)就在于電機(jī)采用改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)裝配槽。它的優(yōu)點(diǎn)是：(1)可以直接并完全安置于汽車輪轂內(nèi)，能夠方便進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)。(2)制造成本低，電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性和效率提高，使電機(jī)具備良好的運(yùn)行性能，并能夠降低電機(jī)噪聲及振動(dòng)，安裝方便，省時(shí)省力，精簡(jiǎn)了汽車整體布局使結(jié)構(gòu)合理緊湊。(3)電機(jī)與汽車懸架固定更加可靠，也給冷卻油的油嘴留出位置，采用油內(nèi)冷，可以增加電機(jī)的功率密度。

1 汽車輪轂電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 汽車輪轂電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中圖1(a)為輪轂電機(jī)剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)為右視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 汽車輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)的一側(cè)端面是密封的，殼體1封閉端的端面上設(shè)置有與汽車輪輞配合的安裝孔，殼體通過(guò)緊固件安裝在汽車輪輞的內(nèi)側(cè)端。另外一側(cè)端面為敞開的殼體內(nèi)腔，殼體內(nèi)有硅鋼片和纏繞在硅鋼片上的定子繞組2，殼體密封端的端面上設(shè)置有與汽車輪輞配合的安裝孔，通過(guò)緊固件安裝在汽車輪輞的內(nèi)側(cè)端，殼體的敞開端形成內(nèi)腔，中部有伸向內(nèi)腔并與殼體一體成型的中心軸4，安裝套5通過(guò)內(nèi)軸承7安裝在電機(jī)軸上，并使安裝座的外緣通過(guò)外軸承8安裝在殼體的內(nèi)表面，定子安裝在定子座6的安裝套外，這里定子座與殼體的內(nèi)腔之間形成安置腔3，安置腔內(nèi)具有徑向嵌入的磁鋼9，若干個(gè)瓦片狀磁鋼固定于殼體(轉(zhuǎn)子殼)徑向圓周上，磁鋼與定子繞組位置對(duì)應(yīng)，定子固定安裝在定子座的安裝套上，轉(zhuǎn)子殼與定子座之間靠?jī)?nèi)外兩套軸承連接，內(nèi)軸承為汽車用輪轂軸承，外軸承為超薄軸承。定子座與殼體之間設(shè)置有相對(duì)外軸承的外側(cè)邊緣的油封10，定子座的端面設(shè)置有用來(lái)與車橋或汽車懸架連接的安裝孔。在定子座上設(shè)置有供冷卻油進(jìn)出的出油嘴11和進(jìn)油嘴12，這樣設(shè)計(jì)目的在于給輪轂電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更好地降溫散熱。此處還有供電機(jī)導(dǎo)線引出的接線端13，接線端上設(shè)置有防水密封接頭14。

輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中圖2(a)為轉(zhuǎn)子鐵心圖，圖2(b)為轉(zhuǎn)子鐵心組的俯視圖。如圖2(b)所示中，安裝在電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子鐵心1組合轉(zhuǎn)子磁鋼2，以及分別安裝連接在轉(zhuǎn)子鐵心組頂端面和底端面上的轉(zhuǎn)子上端板3和轉(zhuǎn)子下端板4。如圖2(a)所示，此處的轉(zhuǎn)子鐵心組從上至下由10段轉(zhuǎn)子鐵心組成，相鄰兩段轉(zhuǎn)子鐵心相互之間順時(shí)針旋轉(zhuǎn)36°，每段轉(zhuǎn)子鐵心由若干個(gè)轉(zhuǎn)子沖片疊合而成，每個(gè)轉(zhuǎn)子沖片8的表面上圓周開設(shè)有八組嵌入槽9，相鄰兩個(gè)嵌入槽9的中心線之間夾角為45°，每組嵌入槽均包括第一槽口10和第一槽口相對(duì)稱設(shè)置的第二槽口11，第一槽口和第二槽口均由長(zhǎng)條形開口和延伸連接在長(zhǎng)條形開口端部向下折的折口組成，長(zhǎng)條形開口的兩內(nèi)側(cè)分別設(shè)有向內(nèi)凹的左凹槽12和右凹槽13，轉(zhuǎn)子磁鋼片嵌置在左凹槽和右凹槽之間，嵌入槽的第一凹槽和第二凹槽之間具有間隙，且呈內(nèi)“八”字型分布在轉(zhuǎn)子沖片上，轉(zhuǎn)子沖片的外圓周面上的諧波抑制槽口6位于相鄰兩個(gè)嵌入槽的中心線上，內(nèi)圓周面上的諧波抑制槽口位于第一槽口和第二槽口之間的中心線上。轉(zhuǎn)子沖片的環(huán)形面上開設(shè)有至少兩個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心固定位置拉桿螺孔7，在其孔內(nèi)插入拉桿以固定轉(zhuǎn)子沖片。

圖2 轉(zhuǎn)子鐵心沖片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2(b)中的電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心機(jī)構(gòu)安裝在輪轂電機(jī)內(nèi)，轉(zhuǎn)子鐵心組和轉(zhuǎn)子磁鋼條分別安裝連接于轉(zhuǎn)子鐵心組頂端面和底端面上的轉(zhuǎn)子上端板和轉(zhuǎn)子下端板；為了改善電機(jī)本身的性能，采用磁極錯(cuò)移的方法[2]，它們的偏移角θshj分別為

1.2 汽車輪轂電機(jī)工作原理概述

輪轂電機(jī)的型式屬于低速永磁同步電機(jī)[3]。其轉(zhuǎn)子磁通由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生。定子繞組中的電流產(chǎn)生定子磁動(dòng)勢(shì)。當(dāng)定子磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁通(即轉(zhuǎn)子)同向同速旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩者相對(duì)靜止[4]。當(dāng)定子空間互差一定電角度的m(≥2的整數(shù))相繞組通入時(shí)間互差同樣角度的m(≥2的整數(shù))相電流時(shí)，即產(chǎn)生了定子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。定子磁勢(shì)又是由定子繞組通過(guò)PWM控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的。永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖3所示。汽車輪轂電機(jī)的運(yùn)行方式有兩種，即電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行和發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)汽車加速行駛時(shí)，輪轂電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；當(dāng)汽車減速行駛時(shí)，輪轂電機(jī)作發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。外轉(zhuǎn)子低速運(yùn)行范圍約在400～1000r/min。

圖3 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

輪轂電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子式的永磁同步電機(jī)，屬于傳統(tǒng)低速同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，但此處的主磁極并不旋轉(zhuǎn)，而是相對(duì)運(yùn)動(dòng)體外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)子部分位于電機(jī)外部，并且?guī)в杏来朋w，內(nèi)定子繞組施加后，按照PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)稀土永磁材料的特點(diǎn)，該輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)合理的的氣隙長(zhǎng)度和氣隙磁通密度，在永磁體形狀和磁路設(shè)計(jì)上具有一定的規(guī)律[5]。轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的每極磁通量，

(1)

式中，Φ為磁通量，RM為磁阻，F(xiàn)為磁動(dòng)勢(shì)，N為匝數(shù)，I為電流；

(2)

式中,RM為磁阻；μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；A為線負(fù)載；l為磁路長(zhǎng)度。

定子繞組絕緣型式設(shè)計(jì)成耐熱等級(jí)為H級(jí)，以適應(yīng)環(huán)境溫度較高時(shí)的工況。

2 輪轂電機(jī)磁場(chǎng)建模分析

以外轉(zhuǎn)子磁鋼寬度及其間隙之和為定值，這里間隙是指磁鋼塊邊緣距離外轉(zhuǎn)子內(nèi)圓最小值位置。利用二維周向磁場(chǎng)建立分析模型，進(jìn)行改進(jìn)前后對(duì)比[6]。當(dāng)永磁體材料為釹鐵硼N42時(shí)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)最大，達(dá)到了0.7T，確定的尺寸磁鋼寬度為20.5mm，間隙為1.6mm時(shí)氣隙磁場(chǎng)，而改進(jìn)前的磁鋼寬度為22mm，間隙為1.8mm。兩者比較，并進(jìn)行改進(jìn)前、后氣隙磁場(chǎng)分析[7]，如圖4、圖5所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的氣隙磁場(chǎng)波形較為平滑且正弦波，減少了電機(jī)振動(dòng)及損耗，增加了其穩(wěn)定性。

圖4 改進(jìn)后的磁鋼寬度為20.5mm的氣隙磁場(chǎng)分析

圖5 改進(jìn)前的磁鋼寬度為22mm的氣隙磁場(chǎng)分析

對(duì)改進(jìn)后的電機(jī)系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)矩的效率進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)改變加速大小來(lái)逐漸增大轉(zhuǎn)矩大小，電機(jī)在某一個(gè)轉(zhuǎn)矩值下工作20s，此時(shí)，通過(guò)測(cè)量這段時(shí)間內(nèi)的輸入功率和輸出功率的平均值來(lái)測(cè)定整個(gè)系統(tǒng)的效率，樣機(jī)在400r/min、600r/min、800r/min、1000r/min時(shí)性能測(cè)試，如圖6所示。

圖6 樣機(jī)測(cè)試的效率與扭矩關(guān)系

根據(jù)測(cè)試電流特性(Iin-T)曲線，如圖7所示。輸入電流和輸出轉(zhuǎn)矩基本為線性關(guān)系，說(shuō)明輪轂電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流穩(wěn)定，效果尚好[8]。

圖7 轉(zhuǎn)矩-電流特性曲線

實(shí)驗(yàn)的樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖8所示。圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)分別為該電機(jī)的定子、外轉(zhuǎn)子、樣機(jī)端面圖。

圖8 樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 溫升實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

采用自然冷卻和油內(nèi)冷冷卻(油循環(huán))方式的輪轂電機(jī)溫升數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖9所示。

圖9 輪轂電機(jī)溫升數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比圖9(a)和圖9(b)，輪轂電機(jī)采用自然冷卻和油內(nèi)冷卻兩種方式，在相同的額定工況下運(yùn)行。達(dá)到熱平衡狀態(tài)后，溫升最高的部件均為定子繞組[9]。自然冷卻電機(jī)部件最高溫升接近于93.9℃，且電機(jī)繞組部件和電機(jī)殼體的溫升較大；而油內(nèi)冷電機(jī)部件的油溫最高接近83.3℃，油冷卻后電機(jī)繞組部件和電機(jī)殼體的溫升較小。輪轂電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)采用油內(nèi)冷卻方式，可以有效降低輪轂電機(jī)的溫升。說(shuō)明實(shí)物有利于擴(kuò)大電機(jī)的高效運(yùn)行區(qū)域，提高電機(jī)的效率。

采用等效熱網(wǎng)格法計(jì)算的輪轂電機(jī)溫升結(jié)果以及有限元法計(jì)算的溫升結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示。

表1 自然冷卻與油內(nèi)冷卻電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫升結(jié)果對(duì)比(℃)

4 結(jié) 論

本文研究的這種新型結(jié)構(gòu)的輪轂電機(jī)，改進(jìn)轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)裝配槽結(jié)構(gòu)型式，用于電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)中，并采用油冷卻循環(huán)方式能夠有效降低其溫升。通過(guò)實(shí)踐證明其性能優(yōu)越，有利于擴(kuò)大輪轂電機(jī)的高效運(yùn)行區(qū)域、提高運(yùn)行效率和過(guò)載能力，以及提高了輪轂電機(jī)的功率密度，還能提高輪轂電機(jī)的穩(wěn)定性和安全可靠性。