分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

趙 成

(上海中科深江電動(dòng)車(chē)輛有限公司，上海 201821)

0 引 言

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)具有傳動(dòng)鏈短、效率高、布置靈活、易于實(shí)現(xiàn)底盤(pán)模塊化和主動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，是一種代表未來(lái)先進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展方向的新型重大交通裝備[1-3]。輪轂電機(jī)是分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的核心零部件，具有強(qiáng)大的技術(shù)生命力和廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景，目前國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開(kāi)展了圍繞輪轂電機(jī)的重點(diǎn)研究。國(guó)外以英國(guó)Protean Electrics、斯洛文尼亞Elaphe及德國(guó)舍弗勒等為代表的公司開(kāi)發(fā)了輪轂電機(jī)。國(guó)內(nèi)很多企業(yè)采用收購(gòu)的方式布局輪轂電機(jī)研發(fā)及制造，如萬(wàn)安科技和恒大汽車(chē)先后收購(gòu)了英國(guó)Protean Electrics公司，亞太股份收購(gòu)了Elaphe公司，也有如一汽、上海電驅(qū)動(dòng)等公司自主開(kāi)發(fā)輪轂電機(jī)[4]。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的輪轂電機(jī)均進(jìn)入到了樣車(chē)搭載及小批運(yùn)行測(cè)試階段。

分布式驅(qū)動(dòng)與集中驅(qū)動(dòng)方式相比，電機(jī)的工作平面和設(shè)計(jì)約束完全不同。尤其是直驅(qū)輪轂電機(jī)沒(méi)有減速增扭矩的變速器，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求高，同時(shí)輪轂電機(jī)安裝位置位于簧下，質(zhì)量直接影響車(chē)輛操縱性能，要求電機(jī)轉(zhuǎn)矩高、質(zhì)量輕，即為高轉(zhuǎn)矩密度需求。輪轂電機(jī)位于輪輞內(nèi)部，空間小，特別是軸向尺寸約束苛刻，對(duì)高轉(zhuǎn)矩密度設(shè)計(jì)難度提升的同時(shí)，對(duì)電機(jī)散熱性能也提出了挑戰(zhàn)[5-6]。

本文基于一款新能源車(chē)輛對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)下直驅(qū)輪轂電機(jī)的需求，開(kāi)發(fā)了一款輪轂電機(jī)。首先完成了性能參數(shù)指標(biāo)下的總體方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行了電磁設(shè)計(jì)，采用有限元仿真方法得到了電機(jī)空載及負(fù)載性能；進(jìn)而進(jìn)行了輪轂電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及散熱分析；最后制作了樣機(jī)，完成了臺(tái)架測(cè)試。結(jié)果表明，電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度、良好的散熱等輸出性能，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，可為輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)提供了一定參考和依據(jù)。

1 指標(biāo)參數(shù)與總體方案

1.1 指標(biāo)參數(shù)

整車(chē)廠針對(duì)一款小型SUV車(chē)輛，設(shè)計(jì)了分布式驅(qū)動(dòng)方案，采用四輪直驅(qū)輪轂電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。由整車(chē)最高車(chē)速、最大爬坡度、爬坡車(chē)速、百公里加速時(shí)間、續(xù)駛里程等性能需求，以及電池配備和運(yùn)行環(huán)境，經(jīng)過(guò)整車(chē)計(jì)算分析得到輪轂電機(jī)參數(shù)指標(biāo)要求，如表1所示。

表1 輪轂電機(jī)指標(biāo)參數(shù)

1.2 總體方案

傳統(tǒng)的永磁電機(jī)氣隙磁密不足、繞組系數(shù)不高，作為輪轂電機(jī)表現(xiàn)有一定的局限性，面對(duì)輪轂電機(jī)所布置的輪輞內(nèi)部空間長(zhǎng)度限制，尺寸無(wú)法滿足要求。輪轂電機(jī)的總體設(shè)計(jì)原則是在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡可能地減小電機(jī)尺寸及質(zhì)量，提升轉(zhuǎn)矩密度。為增加氣隙直徑以提高轉(zhuǎn)矩，本文采用外轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。表貼式永磁體結(jié)構(gòu)，受電機(jī)旋轉(zhuǎn)離心力后更加貼合鐵心，不占用轉(zhuǎn)子鐵心軛部空間，氣隙直徑可進(jìn)一步提升，同時(shí)可通過(guò)永磁體聚磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)提升氣隙磁密。為降低輪轂電機(jī)軸向空間尺寸，采用分?jǐn)?shù)槽繞組設(shè)計(jì)，每個(gè)線圈跨過(guò)一個(gè)齒，繞組端部短。

根據(jù)整車(chē)16寸輪轂尺寸，得到輪轂電機(jī)空間外包絡(luò)，考慮安裝間隙和機(jī)殼厚度，確定定子鐵心最大外徑。由軸向尺寸結(jié)合端面機(jī)械結(jié)構(gòu)厚度和電氣間隙，確定定子和轉(zhuǎn)子的鐵心長(zhǎng)度。輪轂電機(jī)散熱難度大，本文采用強(qiáng)迫水冷方式，選用導(dǎo)熱系數(shù)高的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)繞組和定子進(jìn)行灌封，在定子內(nèi)部設(shè)計(jì)冷卻及支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確定定子內(nèi)徑最小尺寸。然后綜合考慮電機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率輸出特性及線負(fù)荷、電流密度、熱負(fù)荷等設(shè)計(jì)參數(shù)，確定輪轂電機(jī)方案。

2 電磁設(shè)計(jì)

2.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)徑向磁場(chǎng)的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出公式，輸出有效轉(zhuǎn)矩密度Tn可以寫(xiě)成：

(1)

式中：Ke為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，與繞組排布及繞組因數(shù)有關(guān)；Ki為電流系數(shù)；KPW為功率系數(shù)；η為電機(jī)效率；Bgmax為氣隙磁密最大值；A為電機(jī)線負(fù)荷；Dg為電機(jī)氣隙直徑；Lef為電機(jī)鐵心有效長(zhǎng)度；M為電機(jī)有效質(zhì)量。

由式(1)可以看出，在其他參數(shù)不變的條件下，增加反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke、氣隙磁密Bgmax及氣隙直徑Dg，可增加轉(zhuǎn)矩密度Tn。根據(jù)相關(guān)研究，采用永磁體聚磁結(jié)構(gòu)，可有效提升氣隙磁密，改善波形正弦度，降低電機(jī)諧波，減小轉(zhuǎn)子軛部厚度[7-8]。如圖1所示，每極永磁體由主磁鋼和副磁鋼構(gòu)成，主磁鋼提供主磁場(chǎng)，副磁鋼提供聚磁磁場(chǎng)，使得磁場(chǎng)向氣隙方向聚集。

圖1 聚磁結(jié)構(gòu)示意圖

相對(duì)于繞組因數(shù)為0.866的常用分?jǐn)?shù)槽繞組2/3極槽配合，8/9極槽配合繞組因數(shù)更高，達(dá)到0.945，為避免8/9極槽配合所產(chǎn)生的不平衡磁拉力，采用其偶數(shù)倍32極36槽設(shè)計(jì)。

為提高氣隙磁密、提升轉(zhuǎn)矩密度，單邊氣隙長(zhǎng)度應(yīng)盡可能小，但需要考慮輪轂電機(jī)直徑大，殼體、輪轂軸承等相關(guān)機(jī)械件精度，以及輪轂電機(jī)在輪胎內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏擺和路面行駛產(chǎn)生振動(dòng)，適當(dāng)增加氣隙長(zhǎng)度。

輪轂電機(jī)在高轉(zhuǎn)矩輸出下發(fā)熱嚴(yán)重，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮散熱能力，合理設(shè)計(jì)電機(jī)電流密度及熱負(fù)荷數(shù)值。嚴(yán)格設(shè)計(jì)熱參數(shù)的同時(shí)，選用耐溫高、性能強(qiáng)的N38EH釹鐵硼材料，防止永磁體高溫退磁。電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)基于有限元仿真進(jìn)行優(yōu)化確定，主要尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 輪轂電機(jī)主要尺寸參數(shù)

2.2 有限元仿真

根據(jù)表2的主要尺寸，對(duì)輪轂電機(jī)搭建模型，采用四分之一模型以縮短仿真時(shí)間，有限元仿真模型如圖2所示。其中轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面貼有兩種磁鋼，主磁鋼設(shè)計(jì)有凹槽，配合轉(zhuǎn)子鐵心凸起完成固定，副磁鋼通過(guò)梯形窄口設(shè)計(jì)進(jìn)行機(jī)械限位，避免脫落風(fēng)險(xiǎn)?；谟邢拊椒ㄟM(jìn)行仿真分析，得到最高工作轉(zhuǎn)速1 400 r/min下電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)曲線，如圖3所示?？蛰d徑向氣隙磁密隨角度變化曲線如圖4所示，可以看到，經(jīng)過(guò)聚磁后，氣隙磁密幅值可達(dá)1.45 T。

圖2 有限元仿真模型

圖3 空載反電動(dòng)勢(shì)曲線

圖4 空載徑向氣隙磁密曲線

輪轂電機(jī)采用SVPWM控制，表貼式永磁電機(jī)通常采用Id=0控制[9]。為提高設(shè)計(jì)及控制精度，本文經(jīng)過(guò)仿真找到最優(yōu)轉(zhuǎn)矩角α并不是0，即電流中存在Id分量，峰值電流下不同轉(zhuǎn)矩角得到的輸出轉(zhuǎn)矩平均值曲線如圖5所示。負(fù)載仿真時(shí)采用尋到的最優(yōu)角度，依據(jù)控制器功率模塊限制給定電流，得到峰值轉(zhuǎn)矩，如圖6所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算，峰值工況下的電機(jī)線負(fù)荷為1 443 A/cm，電流密度為33.78 A/mm2，熱負(fù)荷為48 745 A2/(cm·mm2)。電機(jī)磁力線分布圖如圖7所示?？梢钥吹剑诙ㄗ永@組通入峰值電流時(shí)，主磁鋼和副磁鋼磁力線仍按照充磁方向分別沿徑向和切向形成回路。

圖5 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩角曲線

圖6 峰值轉(zhuǎn)矩曲線

為進(jìn)一步分析輪轂電機(jī)散熱情況，通過(guò)仿真和計(jì)算得出額定工況及峰值工況下電機(jī)銅耗及鐵耗，如表3所示。可以看到，在輪轂電機(jī)低轉(zhuǎn)速段，鐵耗??；大轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，銅耗大，將會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生發(fā)熱，需要關(guān)注繞組溫升性能。

表3 輪轂電機(jī)負(fù)載主要損耗

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及散熱分析

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、端蓋、軸承、旋變及油封等部件，與傳統(tǒng)汽車(chē)電機(jī)不同，本文設(shè)計(jì)輪轂電機(jī)沒(méi)有電機(jī)軸，采用第三代輪轂軸承作為定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)支撐部件，將電機(jī)軸與軸承合為一體設(shè)計(jì)，縮短整機(jī)軸向空間。為提高輪轂電機(jī)散熱能力，設(shè)計(jì)了位于輪轂軸承和定子之間的定子支架，來(lái)支撐固定定子，同時(shí)該部件中間內(nèi)部為散熱水道，可為冷卻液提供散熱路徑。采用大口徑油封進(jìn)行整機(jī)密封，以達(dá)到防護(hù)等級(jí)要求。由于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，集中驅(qū)動(dòng)形式的電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器并不適合，本文采用大外徑旋轉(zhuǎn)變壓器，旋轉(zhuǎn)變壓器定子位于定子支架上，轉(zhuǎn)子位于機(jī)殼上。為降低輪轂電機(jī)質(zhì)量，對(duì)殼體進(jìn)行減薄，同時(shí)外圓布置加強(qiáng)筋，以增加機(jī)械強(qiáng)度。電機(jī)端面圓周處設(shè)計(jì)有螺紋接口，方便集成制動(dòng)系統(tǒng)。輪轂電機(jī)數(shù)模外形如圖8所示。數(shù)模剖面圖如圖9所示。

圖8 輪轂電機(jī)數(shù)模外形圖 圖9 輪轂電機(jī)數(shù)模剖面圖

3.2 散熱計(jì)算

輪轂電機(jī)的散熱問(wèn)題一直是研究的重點(diǎn)，需要將電機(jī)損耗產(chǎn)生的熱量有效帶走，提升輪轂電機(jī)溫升性能。輪轂電機(jī)繞組損耗大，發(fā)熱重，是制約電機(jī)能力的主要問(wèn)題。水冷電機(jī)繞組的主要傳熱路徑是由繞組經(jīng)絕緣層到鐵心，再傳導(dǎo)至水道金屬壁，最后由冷卻液帶走熱量。根據(jù)熱傳導(dǎo)公式：

(2)

式中：Q為熱流量；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；S為導(dǎo)熱面積；ΔT為溫度差值；h為物體厚度。

由式(2)可知，提高傳熱物體的導(dǎo)熱系數(shù)，可以提升熱流量。傳統(tǒng)電機(jī)采用的絕緣漆導(dǎo)熱系數(shù)在0.2 W/(m·K)左右，本文采用導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/(m·K)雙組分環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)輪轂電機(jī)定子及繞組進(jìn)行整體灌封，應(yīng)用真空灌封工藝，使環(huán)氧膠充分填充帶繞組定子，在繞組端部形成固化絕緣散熱層，提升散熱性能的同時(shí)，加強(qiáng)了絕緣性能，整體灌封定子如圖10所示。配合定子支架內(nèi)部的冷卻水道結(jié)構(gòu)，對(duì)定子進(jìn)行強(qiáng)制散熱。

圖10 整體灌封帶繞組定子

基于前文電磁仿真中計(jì)算的輪轂電機(jī)主要損耗值，應(yīng)用熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)電機(jī)溫度進(jìn)行分析，得到電機(jī)分別使用絕緣漆浸漆和環(huán)氧膠灌封絕緣處理的溫升對(duì)比曲線。持續(xù)工況下溫升如圖11所示，峰值工況下溫升如圖12所示。可以看到，使用環(huán)氧膠灌封較絕緣漆浸漆散熱性能明顯提升，尤其持續(xù)工況時(shí)溫度下降30 ℃。

圖11 持續(xù)工況溫升對(duì)比

圖12 峰值工況溫升對(duì)比

4 樣機(jī)制作及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作了輪轂電機(jī)樣機(jī)，定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心及測(cè)試平臺(tái)如圖13所示。對(duì)零部件及整機(jī)稱(chēng)重計(jì)算得到，有效電磁件包含帶繞組定子、轉(zhuǎn)子鐵心及永磁體，質(zhì)量合計(jì)18.4 kg，輪轂電機(jī)整機(jī)總質(zhì)量31 kg。

圖13 樣機(jī)零部件及測(cè)試平臺(tái)

經(jīng)過(guò)臺(tái)架測(cè)試結(jié)果，1 400 r/min下的線反電動(dòng)勢(shì)實(shí)測(cè)波形如圖14所示，幅值為268 V，與仿真結(jié)果基本一致。測(cè)試了多電壓下輪轂電機(jī)峰值外特性，實(shí)測(cè)曲線如圖15所示，峰值轉(zhuǎn)矩與仿真計(jì)算值800 N·m一致，最低電壓280 V下峰值功率仍能輸出50.6 kW。可知，輪轂電機(jī)有效轉(zhuǎn)矩密度為43.5 N·m/kg，整機(jī)轉(zhuǎn)矩密度為25.8 N·m/kg。實(shí)測(cè)效率Map圖如圖16所示，輪轂電機(jī)最高效率94.5%。經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算，電機(jī)效率大于80%的面積占全部面積的85.4%。

圖14 實(shí)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)曲線

圖15 多電壓電機(jī)峰值外特性曲線

圖16 實(shí)測(cè)效率map圖

在額定電壓393 V、冷卻液流量10 L/min、環(huán)境溫度25 ℃條件下，對(duì)電機(jī)溫升進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)繞組端部溫度曲線如圖17所示?？梢钥吹?，輪轂電機(jī)持續(xù)工況450 N·m下30 min后溫度不再變化，可以持續(xù)運(yùn)行，峰值工況800 N·m下運(yùn)行時(shí)間大于新能源乘用車(chē)推薦標(biāo)準(zhǔn)30 s。

圖17 實(shí)測(cè)輪轂電機(jī)溫升曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)新能源車(chē)分布式四輪驅(qū)動(dòng)需求，研究并設(shè)計(jì)了一款輪轂電機(jī)，采用直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的外轉(zhuǎn)子表貼式永磁同步電機(jī)方案，主要參數(shù)為峰值轉(zhuǎn)矩800 N·m，最低電壓下峰值功率50 kW，最高工作轉(zhuǎn)速1 400 r/min，最高效率94.2%。給出了設(shè)計(jì)原則及主要尺寸參數(shù)，進(jìn)行了電磁方案設(shè)計(jì)，采用有限元仿真方法得到了空載電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)及氣隙磁密，負(fù)載最佳轉(zhuǎn)矩角及峰值轉(zhuǎn)矩性能。計(jì)算了峰值工況下線負(fù)荷、電流密度及熱負(fù)荷，為輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)提供了一定參考。設(shè)計(jì)了輪轂電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出一種通過(guò)帶繞組定子使用高散熱系數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行整體灌封，配合帶有中間水道定子支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制散熱的方法?；趽p耗計(jì)算，經(jīng)過(guò)和傳統(tǒng)浸漆方案的散熱對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制散熱方法可以有效大幅度降低輪轂電機(jī)溫升。最后制作了樣機(jī)，并進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試，得到了與理論計(jì)算和設(shè)計(jì)分析相符的測(cè)試結(jié)果，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。輪轂電機(jī)有效轉(zhuǎn)矩密度高達(dá)43.5 N·m/kg，整機(jī)轉(zhuǎn)矩密度為25.8 N·m/kg。散熱性能良好，額定和負(fù)載溫升性能佳，證明了設(shè)計(jì)方法的正確性及可行性。