一種越野車用輪邊永磁電機(jī)研制

杜萬亮 李勇 解德杰 吳昊洋 陳文鵬

摘? 要：隨著電驅(qū)動技術(shù)研究逐漸深入，整車驅(qū)動系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)也逐漸由單一動力源的集中式驅(qū)動向多動力源的分布式驅(qū)動發(fā)展。與集中式驅(qū)動相比，分布式驅(qū)動省去了變速器、傳動軸、機(jī)械差速器、半軸等部件，把電機(jī)移動到車輪側(cè)，使傳動結(jié)構(gòu)變得更為簡單。現(xiàn)針對四輪獨立驅(qū)動的可翻轉(zhuǎn)輪架車輛，綜合小體積、低重量、低噪聲、低發(fā)熱和動態(tài)響應(yīng)要求高的要求，對輪邊電機(jī)的結(jié)構(gòu)和電磁方案進(jìn)行優(yōu)化，充分利用電磁材料以獲得良好的綜合性能。

關(guān)鍵詞：內(nèi)置式;有限元;磁負(fù)荷;輕量化;參數(shù)提取;特性設(shè)計

0? ? 引言

輪邊電機(jī)要比集中驅(qū)動的電機(jī)技術(shù)要求更高。輪邊電機(jī)居于簧下，需要更好的抗震性和密封性，小體積、低重量、低噪聲、低發(fā)熱，使設(shè)計難度加大。輪邊電機(jī)通過控制多個電機(jī)來實現(xiàn)驅(qū)動和差速，整體技術(shù)難度比較高，對電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)要求高。

本文綜合小體積、低重量、低噪聲、低發(fā)熱和動態(tài)響應(yīng)要求高的要求，對電機(jī)的結(jié)構(gòu)和電磁方案進(jìn)行優(yōu)化，充分利用電磁材料以獲得良好的綜合性能。

1? ? 電機(jī)特性

1.1? ? 整車需求

整車每個輪系配置一臺輪邊電機(jī)，通過控制四個電機(jī)來實現(xiàn)整車驅(qū)動，整車不帶機(jī)械差速靠電機(jī)獨立驅(qū)動控制實現(xiàn)各輪的差速控制。輪邊電機(jī)及減速器裝在車輪邊上單獨驅(qū)動相應(yīng)的車輪，取消了主減速器和差速器，有利于減輕動力傳動系統(tǒng)質(zhì)量，提高傳動效率，有利于優(yōu)化整車的總布置和動力學(xué)性能匹配。輪邊電機(jī)居于簧下，要求有更好的抗振和密封性，小體積、輕量化、低噪聲、低發(fā)熱。

本電機(jī)配套的整車為四輪獨立驅(qū)動的可翻轉(zhuǎn)輪架車輛，為滿足全地形高通過性的要求，有原地轉(zhuǎn)向、越野、最高速、越壕、側(cè)傾坡行駛、越障、大坡度爬坡、松軟路面和續(xù)航里程等基本功能和性能要求。原地轉(zhuǎn)向、越障、越壕、爬坡工況的動力配置需要與車身姿態(tài)調(diào)節(jié)、輪架翻轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等相匹配實現(xiàn)。

1.2? ? 整車牽引力計算

1.2.1? ? 牽引力計算的考慮因素

根據(jù)整車動力學(xué)仿真，在滿足大坡度爬坡的要求時整車的牽引力需求最大;而額定功率需要在動力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上綜合校核整車的加減速性能、電源系統(tǒng)容量、制動性能和制動電阻的吸收能力確定[1]。

根據(jù)車輛行駛動力學(xué)理論，車輛行駛阻力主要分為滾動摩擦阻力、坡道阻力、加速阻力和迎風(fēng)阻力，可表示為：

式中：F為整車牽引力;f為輪胎與地面之間的滾動阻力系數(shù);ms為整車質(zhì)量;α為坡道角度;δ為等效轉(zhuǎn)動慣量;a為車輛加速度;CD為迎風(fēng)阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;v為車速。

1.2.2? ? 最大牽引力確定

綜合考慮整車的質(zhì)心和整車姿態(tài)的調(diào)節(jié)、電機(jī)負(fù)荷不均的程度、輪胎在各地面的附著能力，分別進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向所需牽引力和爬坡動力的計算。經(jīng)計算，滿足大爬坡度的要求時電機(jī)輸出的牽引力需求最大。

1.2.3? ? 功率計算

整車滿載3 t下越野速度30 km/h時進(jìn)行額定功率定額;最大功率按照在最高車速不小于60 km/h的前提下，綜合校核整車的加減速性能、電源系統(tǒng)容量、制動性能和制動電阻的吸收能力確定。

2? ? 電機(jī)方案設(shè)計

綜合考慮電機(jī)的軸向尺寸限制、重量限制和緊湊化的設(shè)計要求，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2-4]進(jìn)行結(jié)構(gòu)和電磁方案的設(shè)計。在采用鋁合金和鈦合金輕量化材料實現(xiàn)減重的基礎(chǔ)上，針對產(chǎn)品過載、低速大轉(zhuǎn)矩的工作特性，采用高磁負(fù)荷的電磁方案設(shè)計[5]。

2.1? ? 電磁方案

本文基于Ansoft軟件的永磁同步電機(jī)有限元模型進(jìn)行電磁場分析[6]，準(zhǔn)確計算電機(jī)的主要參數(shù)?；陔姍C(jī)學(xué)和有限元的基本原理[7]，利用Ansoft有限元分析軟件進(jìn)行主要參數(shù)提取和各工況下電機(jī)磁負(fù)荷校核，采用場路結(jié)合的方法進(jìn)行電機(jī)電磁方案設(shè)計。

根據(jù)尺寸空間的要求，確定外徑和軸向長度;根據(jù)內(nèi)置式永磁電機(jī)的特點，優(yōu)選極槽配合、轉(zhuǎn)子外徑和氣隙大小;結(jié)合峰值轉(zhuǎn)矩大、輕量化的要求，采用一字型轉(zhuǎn)子槽型和定子斜槽，便于轉(zhuǎn)子采用鈦合金內(nèi)套以實現(xiàn)輕量化，優(yōu)化磁鋼的寬度和厚度尺寸、優(yōu)化漏磁和極弧系數(shù)以利用磁阻轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)過載能力，實現(xiàn)了電磁與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化匹配。

電磁方案相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2.2? ? 方案有限元校核分析

2.2.1? ? 空載反電勢分析

在額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行空載反電勢大小、波形和磁場分布的分析，空載反電勢正弦度較好，磁密分布比較合理。

2.2.2? ? 額定負(fù)載分析

利用Ansoft軟件針對額定點進(jìn)行電流角度和幅值的掃描，確定額定點下的電流幅值和電流角，校核在額定電流和轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩輸出性能，輸出轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動較小。

2.2.3? ? 過載能力分析

根據(jù)弱磁的基本原理[8]，在滿足電壓限制的前提下進(jìn)行最高速度時峰值功率下的電流幅值和電流角掃描，校核高速下的過載能力。針對峰值轉(zhuǎn)矩進(jìn)行電流角度和幅值的掃描，確定峰值恒功率起始點下的電流幅值和電流角，校核在峰值電流和對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩輸出性能如圖1所示，輸出轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動1.1%。峰值轉(zhuǎn)矩中磁阻轉(zhuǎn)矩的比例高達(dá)60%以上。2.2.4? ? 高磁負(fù)荷分析

為了實現(xiàn)電機(jī)的輕量化和保證電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，需要對峰值轉(zhuǎn)矩輸出時電機(jī)的磁場飽和情況進(jìn)行校核。

利用Ansoft有限元軟件在一個周期內(nèi)進(jìn)行各部磁場分布情況提取，如圖2所示?？梢?，在峰值轉(zhuǎn)矩輸出時，電機(jī)鐵芯各處的磁密分布較高，各最高值在飽和值附近，方案實現(xiàn)了高磁負(fù)荷的設(shè)計，充分利用了鐵芯材料。

2.2.5? ? 其他校核

永磁體抗失磁的校核、全特性范圍的效率校核等。

2.3? ? 電機(jī)電磁方案的確定

在利用Ansoft進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行計算分析參數(shù)的提取，利用程序進(jìn)行電機(jī)的特性分析，電機(jī)設(shè)計的額定特性輸出如圖3所示。

3? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用帶水道、散熱效果好的鋁合金機(jī)座，電纜及旋變線從軸向鋁合金端蓋輸出。傳動端花鍵為40CrNiMo合金鋼，轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)子內(nèi)套為鈦合金，花鍵與轉(zhuǎn)軸過盈連接。端蓋及蓋板安裝的配合面上涂有密封膠，端蓋帶有呼吸閥，免維護(hù)自潤滑軸承安裝接口外側(cè)有接觸式密封，防護(hù)等級滿足IP67要求。

為了實現(xiàn)輕量化和軸承軸向尺寸的合理布置，采用中空轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵芯熱套在套筒上，再通過法蘭經(jīng)設(shè)計的配合止口與轉(zhuǎn)軸連接。

4? ? 試驗結(jié)果

本項目進(jìn)行了樣機(jī)的試驗臺測試和型式試驗，選取的特征點試驗結(jié)果與設(shè)計值對比情況如表2所示。

5? ? 結(jié)語

本文對所研制的輪邊電機(jī)進(jìn)行了介紹，研制電機(jī)經(jīng)過了型式試驗和裝車試驗初步考核，驗證了電磁方案設(shè)計的準(zhǔn)確性，通過試驗驗證，整機(jī)性能滿足車輛的基本要求。

本項目配套的整車全地面通過性要求高，行走牽引電機(jī)的研制需要同車身姿態(tài)調(diào)節(jié)、輪架翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等相匹配，還需要深入的試驗對電機(jī)的性能和系統(tǒng)的匹配性進(jìn)行評估，同時需要對整車的工況和運行特點進(jìn)行研究，以更好地優(yōu)化電機(jī)系統(tǒng)性能。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 馬德糧.新能源汽車技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[2] 西南交通大學(xué)電機(jī)系.牽引電機(jī)[M].北京：中國鐵道出版社，1980.

[3] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[5] 成熹.高磁密異步牽引電機(jī)磁路計算方法[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2010，33（4）：15-17.

[6] 侯小全，周光厚，廖毅剛，等.電磁場有限元技術(shù)在大型、新型發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].東方電機(jī)，2010（1）：40-49.

[7] 趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[8] 康勁松，蔣飛，鐘再敏，等.電動汽車用永磁同步電機(jī)弱磁控制策略綜述[J].電源學(xué)報，2017，15（1）：15-22.

收稿日期：2020-06-16

作者簡介：杜萬亮（1982—），男，江蘇徐州人，碩士，工程師，研究方向：新能源電驅(qū)動系統(tǒng)。