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、機械差速器、半軸等部件，把電機移動到車輪側(cè)，使傳動結(jié)構(gòu)變得更為簡單?，F(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，對輪邊電機的結(jié)構(gòu)和電磁方案進行優(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

輪邊電機要比集中驅(qū)動的電機技術(shù)要求更高。輪邊電機居于簧下，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。輪邊電機通過控制多個電機來實現(xiàn)驅(qū)動和差速，整體技術(shù)難度比較高，對電機的動態(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，對電機的結(jié)構(gòu)和電磁方案進行優(yōu)化，充分利用電磁材料以獲得良好的綜合性能。

1? ? 電機特性

1.1? ? 整車需求

整車每個輪系配置一臺輪邊電機，通過控制四個電機來實現(xiàn)整車驅(qū)動，整車不帶機械差速靠電機獨立驅(qū)動控制實現(xiàn)各輪的差速控制。輪邊電機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)、電機負(fù)荷不均的程度、輪胎在各地面的附著能力，分別進行原地轉(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? ? 電機方案設(shè)計

綜合考慮電機的軸向尺寸限制、重量限制和緊湊化的設(shè)計要求，根據(jù)參考文獻[2-4]進行結(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有限元模型進行電磁場分析[6]，準(zhǔn)確計算電機的主要參數(shù)。基于電機學(xué)和有限元的基本原理[7]，利用Ansoft有限元分析軟件進行主要參數(shù)提取和各工況下電機磁負(fù)荷校核，采用場路結(jié)合的方法進行電機電磁方案設(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60%以上。2.2.4? ? 高磁負(fù)荷分析

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

利用Ansoft有限元軟件在一個周期內(nèi)進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? ? 電機電磁方案的確定

在利用Ansoft進行電機轉(zhuǎn)矩輸出分析的基礎(chǔ)上，進行計算分析參數(shù)的提取，利用程序進行電機的特性分析，電機設(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，免維護自潤滑軸承安裝接口外側(cè)有接觸式密封，防護等級滿足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

本項目進行了樣機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進行了介紹，研制電機經(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的性能和系統(tǒng)的匹配性進行評估，同時需要對整車的工況和運行特點進行研究，以更好地優(yōu)化電機系統(tǒng)性能。

[參考文獻]

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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)。