新能源車用ISG電機(jī)氣隙的研究

李 寧，王 瑛，強(qiáng)大壯，舒丹丹

(朝陽(yáng)師范高等?？茖W(xué)校，遼寧朝陽(yáng)122000)

【應(yīng)用研究】

新能源車用ISG電機(jī)氣隙的研究

李 寧，王 瑛，強(qiáng)大壯，舒丹丹

(朝陽(yáng)師范高等?？茖W(xué)校，遼寧朝陽(yáng)122000)

ISG電機(jī)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力、增程式純電動(dòng)等新能源車輛中．因ISG電機(jī)安裝復(fù)雜，因此對(duì)其結(jié)構(gòu)、裝配工藝都有較高要求，合理的氣隙是決定電機(jī)性能的關(guān)鍵．通過(guò)分析新能源車用ISG電機(jī)在整車中的不同連接形式，探索了ISG氣隙的設(shè)計(jì)原則．以某增程式純電動(dòng)ISG電機(jī)結(jié)構(gòu)為例，通過(guò)計(jì)算其安裝偏差，并結(jié)合仿真測(cè)試性能及實(shí)車測(cè)試，分析安裝工藝對(duì)ISG電機(jī)性能的影響，為ISG電機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供參考．

ISG；氣隙；裝配

0 引言

迫于環(huán)境污染和能源緊缺的雙重壓力，各大汽車制造商紛紛開(kāi)展新能源汽車的研發(fā)工作．ISG(Integrated Starter Generator)電機(jī)廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力、增程式純電動(dòng)等新能源汽車中，盡管使用ISG電機(jī)的方案對(duì)原車改動(dòng)小，但因其多安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱間，故對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配提出了較苛刻的要求．本文主要探討ISG電機(jī)氣隙的選取，以及裝配形式對(duì)氣隙的影響．

1 ISG電機(jī)的裝配形式

ISG電機(jī)可分為同軸布置和非同軸布置兩種裝配形式．目前，同軸布置為主流的裝配方案，主要有三種類型：一是電機(jī)裝在曲軸上的方案；二是電機(jī)置于變速器輸入軸的方案；三是裝在兩個(gè)離合器之間的方案．非同軸布置的電機(jī)一般通過(guò)任意一種驅(qū)動(dòng)裝置連接．對(duì)于ISG電機(jī)來(lái)說(shuō)，采用盤(pán)式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子孔的內(nèi)腔可以用來(lái)安裝主動(dòng)的機(jī)器部件．在裝有自動(dòng)變速器的汽車上就可以利用這個(gè)內(nèi)腔，這樣可以更好地利用空間．除以上兩種裝配形式外，也有少數(shù)其他的方案，如將起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)布置在輔助驅(qū)動(dòng)裝置中等．

此外，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的裝配方式也不盡相同．一種是將電機(jī)直接安裝在內(nèi)燃機(jī)曲軸輸出端，并且ISG轉(zhuǎn)子要與曲軸固定連接，取代飛輪及原有的起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)．最有名且最簡(jiǎn)單的一種裝配形式是，在發(fā)動(dòng)機(jī)前端用皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將ISG電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)接起來(lái)，并把起動(dòng)機(jī)同樣連接在ISG電機(jī)的機(jī)構(gòu)中，這樣可以節(jié)省內(nèi)部空間[1]．

2 基于氣隙原則的ISG電機(jī)的裝配分析

本文以最常用、最簡(jiǎn)單的裝配形式，即用螺栓將電機(jī)轉(zhuǎn)子直接固定在曲軸上，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)飛輪為例，分析ISG電機(jī)裝配對(duì)氣隙的影響．由于空間有限，ISG大多采用扁平形結(jié)構(gòu)，同時(shí)功率也不能太大，對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及裝配后是否影響氣隙提出了嚴(yán)格的要求．

2.1 ISG電機(jī)氣隙的選取

電機(jī)在設(shè)計(jì)初期，應(yīng)給出合理的氣隙．理論上電機(jī)的氣隙越小越好，但組裝問(wèn)題是個(gè)關(guān)鍵，同時(shí)還應(yīng)考慮氣隙對(duì)其他方面的影響，如振動(dòng)、噪音，以及電機(jī)運(yùn)行的可靠性．因此，實(shí)際中電機(jī)的氣隙并不是很小，因?yàn)槿嗬@組產(chǎn)生的磁勢(shì)并不是正弦的，而是含有豐富的諧波分量，氣隙越小，這些諧波分量對(duì)振動(dòng)的影響就越大．另外，還要考慮到加工誤差以及裝配誤差，定轉(zhuǎn)子安裝之后是不可能同心的，這就存在一個(gè)偏心的問(wèn)題．存在偏心會(huì)導(dǎo)致單邊磁拉力存在，氣隙越小，偏心率就越高，單邊磁拉力也就越大．大的磁拉力會(huì)使得轉(zhuǎn)子發(fā)生形變，而轉(zhuǎn)子形變又將進(jìn)一步增大定轉(zhuǎn)子偏心，但如果氣隙太小，會(huì)導(dǎo)致發(fā)生轉(zhuǎn)子掃膛的嚴(yán)重后果[2]．

目前，ISG電機(jī)主要為永磁同步電機(jī)，一般永磁電機(jī)氣隙通常比異步電機(jī)大，是因?yàn)橛来朋w能提供較為穩(wěn)定的磁場(chǎng)，如果氣隙過(guò)小，將會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)畸變?cè)龃螅D(zhuǎn)速降低．為了裝配需要通常會(huì)設(shè)計(jì)得大一些．轉(zhuǎn)子直徑越大，間隙越大，目前氣隙范圍一般在0.35～1.5 mm之間．

2.2 ISG電機(jī)的裝配分析

因?yàn)镮SG轉(zhuǎn)子與曲軸用螺栓連接，故ISG電機(jī)安裝與傳統(tǒng)的電機(jī)有區(qū)別，且設(shè)計(jì)時(shí)要更多地考慮轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)殼等與周邊零件的連接與配合情況．裝配過(guò)程中產(chǎn)生的裝配間隙，將直接影響氣隙，進(jìn)而影響電機(jī)性能[3、4]．

下面以某增程式純電動(dòng)ISG電機(jī)為例進(jìn)行分析．該電機(jī)具有典型性，采取的是轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用螺栓連接的方案，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、變速箱結(jié)構(gòu)以及整車布置的要求，ISG電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示．

綜合考慮ISG電機(jī)的性能及安裝環(huán)境，此ISG電機(jī)定、轉(zhuǎn)子氣隙設(shè)計(jì)為0.8 mm．ISG電機(jī)各部件尺寸及公差如下：

(1)定子通過(guò)前端蓋間接安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上．

①前端蓋與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體通過(guò)兩個(gè)空心銷定位安裝．

發(fā)動(dòng)機(jī)殼體銷孔：Φ12.5H7 (0.018，0)，深8，位置度Φ0.08；空心銷：Da12.5m6(0.018，0.007)，Di10.4，L10；前端蓋銷孔：Φ12.5S7 (-0.021，-0.039)，位置度Φ0.1．

②定子與前端蓋通過(guò)止口定位安裝．

前端蓋止口位置：Φ246h7(0.-0.046)；定子止口位置：Φ246H7(0.046，0)．

(2)轉(zhuǎn)子通過(guò)止口安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上．

曲軸上止口：Φ35H7(0，-0.016)；轉(zhuǎn)子上止口：Φ35H7(0.025，0)．

計(jì)算定、轉(zhuǎn)子安裝后的間隙實(shí)際上是計(jì)算定、轉(zhuǎn)子軸線的偏移量e．

emax=e3+(e1+e2)．

e1為發(fā)電機(jī)前端蓋安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)后，前端蓋軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線的偏移量．前端蓋通過(guò)銷與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝，發(fā)動(dòng)機(jī)上銷孔有位置度要求，銷孔偏離理想位置0.08/2 mm，前端蓋安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)后(通過(guò)銷安裝，銷與前端蓋過(guò)盈配合，看作一個(gè)整體)也會(huì)偏移0.08/2 mm；同理，前端蓋上銷孔偏離理想位置0.1/2 mm．此外，發(fā)動(dòng)機(jī)上銷孔與前端蓋上銷存在間隙為(12.5+0.018)/2-(12.5-0.007)/2 mm，得出：e1=0.08/2+0.1/2+(12.5+0.018)/2-(12.5+0.007)/2=0.0955 mm．

e2為發(fā)電機(jī)定子安裝到前端蓋后，發(fā)電機(jī)定子軸線與前端蓋軸線的偏移量．發(fā)電機(jī)定子通過(guò)止口定位安裝到前端蓋．e2=(246+0.046)/2-(246-0.046)/2=0.046 mm．

e3為轉(zhuǎn)子安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)后，轉(zhuǎn)子軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線的偏移量．發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)止口定位安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上．e3=(35+0.025)/2-(35-0.016)/2=0.0205 mm．

因此，emax=e3+(e1+e2)=0.020 5+0.046+0.095 5=0.162 mm．

2.3 裝配偏差對(duì)電機(jī)系統(tǒng)性能的影響

針對(duì)0.162 mm的極限裝配偏差結(jié)果，從以下方面對(duì)裝配誤差造成的氣隙問(wèn)題進(jìn)行分析：

2.3.1 電機(jī)電磁性能下降問(wèn)題

應(yīng)用仿真軟件評(píng)估了電子轉(zhuǎn)子偏心對(duì)電機(jī)反電勢(shì)、齒槽轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩的影響．從分析結(jié)果來(lái)看，偏心0.162 mm對(duì)電機(jī)的影響較小，仍滿足電機(jī)的性能，具體結(jié)果如圖2所示：

2.3.2 振動(dòng)、噪聲、旋轉(zhuǎn)變壓器精度問(wèn)題

由于振動(dòng)、噪聲、旋轉(zhuǎn)變壓器精度均無(wú)法用軟件進(jìn)行評(píng)估，因此進(jìn)行實(shí)車測(cè)試判斷．根據(jù)實(shí)車路試，電機(jī)的噪聲、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)變壓器的精度都在允許范圍內(nèi)，故證明此ISG電機(jī)的結(jié)構(gòu)及安裝形式滿足國(guó)標(biāo)對(duì)NVH的要求．

3 結(jié)論

合理的氣隙是決定電機(jī)性能的關(guān)鍵，通過(guò)本文案例分析，得出以下結(jié)論：(1)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵零件配合尺寸的精度越高，裝配中產(chǎn)生的偏差越小，但是也對(duì)零件加工提出了更高的要求，因此氣隙與零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需找到平衡點(diǎn)；(2)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量簡(jiǎn)化ISG電機(jī)的結(jié)構(gòu)，避免增加間接連接件．裝配時(shí)，先裝配定子或是轉(zhuǎn)子，取決于ISG電機(jī)的結(jié)構(gòu)及難度．以上結(jié)論可為ISG電機(jī)關(guān)鍵零件尺寸及裝配提供參考，但文中只分析了最典型的ISG電機(jī)的裝配形式，其他裝配形式的分析有待進(jìn)一步研究．

[1]阿爾弗雷德·克拉普爾.起動(dòng)機(jī)——發(fā)動(dòng)機(jī)一體化技術(shù)(ISG)未來(lái)汽車設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[2]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)：理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]冒曉建.并聯(lián)式ISG混合動(dòng)力總成設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[4]李鵬，左建令. ISG型輕度混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)概述[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007,(1)：3-6.

(審稿人 趙 琰 鄧景茹，責(zé)任編輯 王 巍)

The study of ISG motor air gap used in new energy vehicles

LI Ning, WANG Ying, QIANG Da-zhuang,SHU Dan-dan

(Chaoyang Teachers College, Chaoyang Liaoning 122000)

Nowadays, ISG motor is widely used in new energy vehicles as Plug-In Electric-vehicles and Hybrid Vehicles. Because the installation of ISG motor is complex, its structure and assembly process need higher request. The reasonable air gap decides the performance of the motor. This paper explores the design principle of ISG air gap by analyzing the different connection forms of ISG motor in the new energy vehicle. Taking the ISG motor structure of a certain Plug-In Electric-vehicle as an example, the influence of the installation process on the performance of ISG motor is analyzed by the calculating of the installation deviation as well as the simulation test and vehicle test, which can provides a reference for the design of key ISG motor components.

ISG; air gap; assembly

2015—12—20

李寧(1984-)，男，遼寧北票市人，講師，主要從事新能源汽車方面研究．

TM351

A

1008-5688(2017)01-0087-03