王升平 吳柏禧 景玉軍 郭美華

摘 要：增程式電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展主要依賴(lài)于增程器技術(shù)，發(fā)電機(jī)是增程器的核心部件。開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)高效緊湊型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)更符合未來(lái)增程式電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，文中對(duì)外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、關(guān)鍵零件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制作了樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，基本滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);增程器;外轉(zhuǎn)子;永磁同步發(fā)電機(jī)

1 引言

增程式電動(dòng)汽車(chē)在動(dòng)力電池電量不足及無(wú)需停車(chē)的情況下，增程器系統(tǒng)根據(jù)工況需要做出功率分配，一方面可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)保障汽車(chē)正常行駛，另一方面還能給電池充電增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)增程器不會(huì)在電池虧電狀態(tài)下工作，這可大大延長(zhǎng)電池的使用壽命。增程式電動(dòng)汽車(chē)消除了純電動(dòng)汽車(chē)電池容量不足行駛里程短的缺陷，經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，已被人們普遍認(rèn)可，并被認(rèn)為是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要方向。能否開(kāi)發(fā)出油耗低、排放好、性能優(yōu)越的增程式電動(dòng)汽車(chē)主要依賴(lài)于增程器技術(shù)。增程器作為該車(chē)型的核心部件，對(duì)其有效開(kāi)發(fā)將直接決定增程式電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。發(fā)電機(jī)作為增程器系統(tǒng)中重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，是急需需解決和完善的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此研究和開(kāi)發(fā)用于增程器的緊湊型、高效型發(fā)電機(jī)迫在眉睫、刻不容緩。外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)，由于具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、效率高、散熱好等優(yōu)點(diǎn)更符合發(fā)電機(jī)緊湊高效的要求，是未來(lái)增程器用發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。本文將涉及研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，適用于增程式電動(dòng)公交車(chē)、輕型商務(wù)車(chē)的新型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)技術(shù)。

2 發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特征及主要性能優(yōu)勢(shì)

本文設(shè)計(jì)的新型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)，工作原理雖然與傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)相同，都是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使定子繞組切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生感生電流，但結(jié)構(gòu)不相同。外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是定子固定在靠軸中間位置不動(dòng)，轉(zhuǎn)子在定子的外圍旋轉(zhuǎn)，屬?gòu)较驓庀洞磐ńY(jié)構(gòu)，與內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比是轉(zhuǎn)子與定子換了個(gè)位置，即轉(zhuǎn)子在外、定子在內(nèi)，反之常見(jiàn)的內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)則是定子在外、轉(zhuǎn)子在內(nèi)。外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)主要由端蓋、機(jī)座、外轉(zhuǎn)子支撐、定子鐵芯、內(nèi)機(jī)殼、轉(zhuǎn)子磁軛、永磁體磁極和中間轉(zhuǎn)軸等零件組成，其整機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。與驅(qū)動(dòng)電機(jī)復(fù)雜的運(yùn)行工況相比，外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)主要是在額定點(diǎn)狀態(tài)下工作來(lái)為電池充電，具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、氣隙直徑和電磁轉(zhuǎn)矩都較大的性能，并具有發(fā)電機(jī)多極數(shù)設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)緊湊質(zhì)量輕、散熱容易、繞組工藝比內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)簡(jiǎn)單等諸多性能優(yōu)勢(shì)。

2.2 外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)車(chē)型匹配要求，發(fā)電機(jī)的額定功率設(shè)定為65 kW，額定轉(zhuǎn)速3080r/min，工作轉(zhuǎn)速范圍1000-3080r/min。結(jié)合該電機(jī)工作特征，初步算出定子、轉(zhuǎn)子的直徑，再參照同規(guī)格發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定定子鐵芯外徑244.4mm，內(nèi)徑164mm;轉(zhuǎn)子的外徑278mm，內(nèi)徑246mm;鐵芯長(zhǎng)度均為90mm。針對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁方案設(shè)計(jì)，電機(jī)的極數(shù)與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩成正比，電機(jī)極數(shù)越多越能獲得大的轉(zhuǎn)矩[2]，為了保證正弦性的氣隙磁密波形和小的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行，磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成磁極32極，定子24槽的多極結(jié)構(gòu)，如圖2所示。永磁體厚度、寬度、繞組匝數(shù)、定子齒寬等參數(shù)的設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)電機(jī)性能影響很大，除了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)多方案計(jì)算擇優(yōu)選擇。根據(jù)圖2中標(biāo)注的尺寸設(shè)計(jì)定子齒寬、永磁體寬度、永磁體厚度時(shí)，用有限元計(jì)算得到方案的齒槽轉(zhuǎn)矩4.35 N·m。發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)如表1。

3 發(fā)電機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及零件強(qiáng)度校核

發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)參數(shù)確定后，對(duì)發(fā)電機(jī)的部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及強(qiáng)度驗(yàn)證，其中分析計(jì)算主要使用有限元法。

3.1 轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核

轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)采用中部鏤空結(jié)構(gòu)，盡量去除軸內(nèi)多余材料，實(shí)現(xiàn)減輕電機(jī)重量目的。選用 42CrMo為軸的材料，材料密度為7850 kg·m-3，彈性模量1.6e11Pa，泊松比0.24，材料經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。軸的應(yīng)力分布云圖通過(guò)靜力學(xué)計(jì)算獲得，如圖3（a），花鍵根部處應(yīng)力最大，將是破壞最嚴(yán)重的部位，最大von-Mises 應(yīng)力為98.9 Mpa，小于材料的屈服強(qiáng)度。發(fā)電機(jī)軸在工作時(shí)承受周期載荷，需對(duì)軸進(jìn)行疲勞分析，施加的載荷設(shè)為正弦周期性，計(jì)算得到軸的安全系數(shù)為1.8以上，如圖3（b），壽命最短的地方仍為花鍵的根部。

3.2 鉚釘設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

設(shè)計(jì)12顆高強(qiáng)度鉚釘連接發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支撐與轉(zhuǎn)軸，如圖4（a）所示。傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，鉚釘主要受剪切應(yīng)力。按軸載荷的邊界條件同樣施加極限載荷，鉚釘材料屬性按密度7850 kg·m-3，彈性模量2e11Pa，泊松比0.3設(shè)置，其應(yīng)力分布如圖4（b），可看出鉚釘上支撐與轉(zhuǎn)軸的交接處應(yīng)力最大（見(jiàn)b圖紅色區(qū)域），最大von-Mises應(yīng)力為39.39 Mpa，比材料極限屈服應(yīng)力低，因而鉚釘屈服、斷裂現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)。

3.3 定子繞組集成設(shè)計(jì)

為了便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和批量生產(chǎn)，定子鐵芯齒部設(shè)計(jì)為平行直齒，并設(shè)計(jì)集成繞組，在絕緣骨架上先纏繞銅線(xiàn)，再將繞組與骨架整體一同插入定子鐵芯的直齒上，如圖5所示，極大地降低了復(fù)雜的繞線(xiàn)工藝難度。

3.4 內(nèi)置水冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

增程式電動(dòng)汽車(chē)外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)高功率密度功能目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，就是高效冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此實(shí)施對(duì)發(fā)電機(jī)溫升的控制成為了該電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小熱阻，通過(guò)過(guò)盈配合將定子鐵芯與內(nèi)機(jī)殼表面裝配一起，位于基坐體后端蓋處的冷卻水出入口與機(jī)殼內(nèi)的冷卻水道連接，因而內(nèi)置的冷卻系統(tǒng)能夠有效的將發(fā)電機(jī)內(nèi)部的熱量帶走，使電機(jī)處于低溫升的工作狀態(tài)[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

高效緊湊型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)涉及電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、電機(jī)輕量化設(shè)計(jì)、高功率密度設(shè)計(jì)、“內(nèi)置水冷”冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)仿真研究、NVH性能研究等多項(xiàng)技術(shù)難題，本文只是研究工作中的極小部分內(nèi)容的呈現(xiàn)，各種有限元仿真設(shè)計(jì)、試驗(yàn)樣機(jī)的試制和驗(yàn)證都取得預(yù)期成果，可基本實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求，后續(xù)更多技術(shù)難點(diǎn)將會(huì)繼續(xù)開(kāi)展深入研究和完善。

基金項(xiàng)目：廣東省普通高?？蒲衅脚_(tái)項(xiàng)目“新能源汽車(chē)增程器外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”（2018GKTSCX024）。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭美華，王升平.增程式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)電機(jī)技術(shù)研究概述[J]. 時(shí)代汽車(chē)，2019，8（316）：33-34.

[2] 謝培利，席榮盛，崔友. 新能源汽車(chē)增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 裝備制造技術(shù)，2017，11：85-88.

[3] 王升平，郭美華，何佳兵. 增程式電動(dòng)汽車(chē)新型外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)水道設(shè)計(jì)[J]. 汽車(chē)零部件，2019，12：42-45.