劉春 四川希望汽車職業(yè)學院

一、節(jié)能驅(qū)動電機產(chǎn)品研發(fā)現(xiàn)狀

我國從20世紀90年代后期進行新能源汽車節(jié)能驅(qū)動電機的研發(fā)工作，已能自主研發(fā)新能源汽車需求的各類電機，但是新能源汽車節(jié)能驅(qū)動電機產(chǎn)品標準化工程技術(shù)與發(fā)達國家仍有很大差距，尤其在零部件、材料技術(shù)與國際先進水平差距明顯。表現(xiàn)在如下幾個方面：一是大功率、高效率與產(chǎn)品的小型化問題。當前節(jié)能驅(qū)動電機系統(tǒng)機電集成度不高，優(yōu)化設(shè)計能力不強；關(guān)鍵零部件、材料高度依賴進口，無法實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計和制造；熱能管理和冷卻散熱系統(tǒng)基礎(chǔ)研究不足，存在技術(shù)障礙；二是系統(tǒng)可靠性規(guī)范不完整。缺少長期可靠性設(shè)計和評估規(guī)范，系統(tǒng)的可靠性測試不充分；三是關(guān)鍵零件基礎(chǔ)研究不足。缺乏對關(guān)鍵零部件所有材料基礎(chǔ)性研究不足，自主材料利用率偏低，評估程序標準化研究和主要性能指標體系建立的規(guī)范性研究都顯得不足，產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)不健全、不全面；四是節(jié)能驅(qū)動電機總成成本居高不下。節(jié)能驅(qū)動電機全產(chǎn)業(yè)鏈部件尚不能自給自足，關(guān)鍵部件依賴進口，成本居高不下；五是節(jié)能驅(qū)動電機控制系統(tǒng)設(shè)計理念和平臺與國際先進水平有差距。需要不斷加強對節(jié)能驅(qū)動電機與整車控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，提升轉(zhuǎn)矩控制的平順性與舒適性，滿足汽車的動力性、經(jīng)濟性、舒適性、安全性；六是節(jié)能驅(qū)動電機產(chǎn)品標準化研制滯后。節(jié)能驅(qū)動電機標準化生產(chǎn)和質(zhì)量控制能力不足，制造工藝水平落后，生產(chǎn)線自動化程度低，導致電機產(chǎn)品可靠性、一致性差。

二、節(jié)能驅(qū)動電機產(chǎn)品研發(fā)標準化原則

節(jié)能驅(qū)動電機產(chǎn)品研發(fā)標準化原則如下：一是流水線、智能化的制作技術(shù)。要滿足高質(zhì)量、產(chǎn)品性能一致性要求，確保產(chǎn)品的可靠性、耐久性、標準化生產(chǎn)，滿足產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品的匹配等要求；二是采用多系統(tǒng)光機電集成策略和方案。電機、減速機、發(fā)動機總成或電機與變速器的總成，節(jié)能驅(qū)動電機總成有利于減少系統(tǒng)的質(zhì)量、體積，降低系統(tǒng)的制造成本和提高系統(tǒng)的成本和系統(tǒng)的耐用性；三是解決好大功率、高效率與小型化輕量化的矛盾；尤其有關(guān)注電機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，從節(jié)能驅(qū)動電機內(nèi)熱量的充分排出為考量條件；四是滿足電機的可靠性、耐久性以及不同工況環(huán)境的適用性?？梢詮墓?jié)能驅(qū)動電機組成的關(guān)鍵部件與使用材料入手，按照應用要求，科學確定電機產(chǎn)品耐久性、不同工況環(huán)境的適應性以及性能技術(shù)指標、驗證方案等規(guī)范。五是節(jié)能驅(qū)動電機控制器接口與電能變換器之間的電氣參數(shù)匹配。節(jié)能驅(qū)動電機的性能參數(shù)標準要滿足電機控制器的最大轉(zhuǎn)矩、電流控制與恒功率寬調(diào)速控制策略，從而提高電機效率、磁性材料利用率，實現(xiàn)電機能力與電能變換器容量在整個運行過程中不同工況的最佳匹配。六是節(jié)能驅(qū)動電機機械連接端口、汽車傳動系統(tǒng)之間的機械聯(lián)結(jié)參數(shù)匹配。尤其關(guān)注高強度輕量化技術(shù)與機械聯(lián)結(jié)參數(shù)匹配，確保電力驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性以及固有頻率、動態(tài)響應性能。能夠科學驗證冷熱機不同狀態(tài)的電機結(jié)構(gòu)模態(tài)和匹配參數(shù)的合理性，能夠避開節(jié)能驅(qū)動電機運行范圍內(nèi)的共振現(xiàn)象；七是保證電機總成系統(tǒng)與整車系統(tǒng)熱性能參數(shù)匹配。遵循汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)熱能管理總目標和散熱需求，需要對節(jié)能驅(qū)動電機與整車系統(tǒng)的熱性能參數(shù)進行匹配計算，從而合理確定整車冷卻方式、換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇。

三、節(jié)能驅(qū)動電機關(guān)鍵性能指標合理性驗證

節(jié)能驅(qū)動電機各個參量的標值為其以物理量單位表示的實際值與所選定的基準值之比。各參量的基準值界定如下：電壓：額定相電壓UN/V；電流：額定相電流IN或功電流IW=PNX103/mUN；功率：額定視在功率SN=mUNIN或額定輸出功率PNX103；頻率：額定頻率fN/Hz；阻抗：UN/IN或UN/Iw/Ω。在新能源汽車節(jié)能驅(qū)動電機總體設(shè)計階段，需要快速判斷電機的主要尺寸、線負荷、電流密度、定子鐵心齒部磁感應強度、磁軛部磁感應強度等參數(shù)設(shè)計的合理性和匹配度，這些指標對電機的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度有直接的影響，優(yōu)化設(shè)計時必須從力學、熱效應等多個方面進行綜合對比分析，從而確定最佳設(shè)計方案。下面即對節(jié)能驅(qū)動電機關(guān)鍵性能指標如力能指標、熱效應指標、應力指標等幾個方面合理性驗證提供一些建議：

（一）節(jié)能驅(qū)動電機驅(qū)動能力性能參數(shù)分析

電機功率密度包括功率體積密度PVden和功率質(zhì)量密度PWden。功率體積密度：PVden=PN/Vtal；功率質(zhì)量密度：PWden=PN/Wtal。其中，PN為電機額定輸出功率（W）；Vtal為電機的總體積（m3）；Wtal為電機的總質(zhì)量（kg）。

電機轉(zhuǎn)矩密度包括轉(zhuǎn)矩體積密度TVden和轉(zhuǎn)矩質(zhì)量密度TWden。轉(zhuǎn)矩體積密度：TVden=TN/Vtal=PVden/Ω；轉(zhuǎn)矩質(zhì)量密度：TWden=TN/Wtal=PWden/Ω。其中，TN為電機額定輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）；Ω為電機轉(zhuǎn)子角速度 （rd/s）。

電機材料利用系數(shù)Cw和電機體積利用系數(shù)Cv定義：Cw=(PWden/Wtal)Ω；Cv=(PVden/Vtal)Ω。其中，Ω為電機的效率。

（二）節(jié)能驅(qū)動電機散熱性能分析

電機產(chǎn)生熱量面密度反應了需要通過電機散熱表面單位面積散出的熱量，電機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計必須按照熱面面密度數(shù)值進行。

電機產(chǎn)生熱量面密度定義為：Hdiss=Σp/Sdiss，其中，Σp為總損耗（W）；Sdiss為電機散熱表面積（m2）。

電機散熱表面積定義為：Sdiss=πDosLef，Dos為定子鐵心外徑（m）。

（三）節(jié)能驅(qū)動電機的應力分布分析

電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會受到向心加速度多產(chǎn)生的機械應力的限制，確定電機運行的最高轉(zhuǎn)速很重要，這會影響到電機運行安全。在電機總體設(shè)計時可以將轉(zhuǎn)子等效為厚壁的圓筒來估算相關(guān)參數(shù)。

轉(zhuǎn)子外圓線速度為：υ=ΩRo，其中，Ro為轉(zhuǎn)子外圓半徑（m）。

若以轉(zhuǎn)子外圓半徑Ro為基準來表示電機轉(zhuǎn)子內(nèi)徑Ri和任意半徑r的相對值,則有定義：

α=Ri/Ro；X= r/Ro。

則電機轉(zhuǎn)子任意半徑r處的徑向應力和切向應力函數(shù)如下：

式中，μ為應力計算點的泊松比；ρ為轉(zhuǎn)子材料的密度（kg/m3）。

節(jié)能驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子最大切向應力產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)軸的交界處，如下：

交界處材料主要為硅鋼片，該材料的力學特性為：ρ=7.8 x 103kg/m3, μ≈0.3，許用切向應力 [σs]<4x108N/m2。

必須要驗證轉(zhuǎn)子在極限轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子內(nèi)圓處的最大切向應力是否在硅鋼片的許用切向應力范圍內(nèi)。

四、結(jié)論

本文闡述了新能源汽車節(jié)能驅(qū)動電機產(chǎn)品設(shè)計存在的主要問題以及面臨的主要挑戰(zhàn)，提出了節(jié)能驅(qū)動電機產(chǎn)品研發(fā)總體設(shè)計流程和電機關(guān)鍵性能指標如力能指標、熱效應指標、應力指標、臨界轉(zhuǎn)速等幾個方面合理性驗證提供一些建議，這為后續(xù)建立多物理場計算模型和搭建載荷譜仿真分析平臺打下良好基礎(chǔ)。為新能源汽車節(jié)能驅(qū)動電機產(chǎn)品化、工程化研發(fā)作了一些探索。