潘岱松, 司辰偉, 魏瀟翔

(安徽安凱汽車股份有限公司, 合肥 230051)

當(dāng)前電動(dòng)客車[1]的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大多數(shù)采用直驅(qū)電機(jī)模式,整車布置簡單且容易實(shí)現(xiàn)。但直驅(qū)電機(jī)需要輸出大功率,低速段需要輸出大扭矩,因此其體積和重量通常較大;且導(dǎo)致整車簧下布置大量的傳動(dòng)部件,從而機(jī)械損耗也較大。

輪轂電機(jī)技術(shù)也被稱為車輪內(nèi)裝電機(jī)技術(shù)[2],它的最大特點(diǎn)就是將動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置和制動(dòng)裝置整合在一起放到輪轂內(nèi),省略了傳動(dòng)軸、離合器、變速器、差速器等單個(gè)傳動(dòng)部件,得以將電動(dòng)客車的機(jī)械傳動(dòng)鏈最大限度簡化[3]。輪轂電機(jī)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子型式又分內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。國內(nèi)已有少數(shù)客車廠使用過外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)裝樣車。相比外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī),內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)功率密度更高,并且有體積小、效率高、溫升低等優(yōu)勢,對(duì)整車而言,亦可減小其簧下質(zhì)量。為此,本文從電機(jī)本體、行星排減速器、輪轂總成幾個(gè)方面進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)一款電動(dòng)客車用的內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)。

1 內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)方案

1.1 內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)

以額定功率為80 kW、峰值功率為160 kW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例,假定整車輪邊最大輸出扭矩需求為15 000 N·m,且整車最高車速v要求為90 km/h,輪胎滾動(dòng)半徑r為0.45 m,則根據(jù)式(1)可得輪轂總成最大轉(zhuǎn)速nl的要求為530 r/min。

(1)

擬采用峰值轉(zhuǎn)速3 000 r/min的主流電機(jī),驅(qū)動(dòng)電機(jī)的其他性能參數(shù)見表1。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)表

為了最大限度地壓縮電機(jī)的長度和體積,提高電機(jī)的溫升能力和系統(tǒng)的綜合效率,可將驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)成內(nèi)轉(zhuǎn)子扁線水冷永磁電機(jī)[4]。扁線電機(jī)與傳統(tǒng)圓線電機(jī)相比,輸出相同功率時(shí),前者體積更小、用材更少、重量更輕、溫升更低。同時(shí),為了改善內(nèi)外層繞組溫度不均勻,并滿足輸出扭矩大小需求,繞組設(shè)計(jì)采用6層導(dǎo)體數(shù)方案[5]。6層繞組扁線電機(jī)沖片和定子示意圖如圖1所示。

圖1 6層繞組扁線電機(jī)沖片和定子示意圖

擬采用Φ420 mm沖片平臺(tái),通過專業(yè)電磁仿真軟件計(jì)算,對(duì)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及分析,建模的主要參數(shù)見表2。

表2 電機(jī)建模參數(shù)表

為方便賦值與計(jì)算,將定子繞組的導(dǎo)體部分簡化成一個(gè)整體,并加入簡化后的轉(zhuǎn)子總成,電機(jī)建模模型如圖2所示。

圖2 簡化后的模型示意圖

對(duì)電機(jī)本體與驅(qū)動(dòng)電路之間的電磁耦合進(jìn)行仿真,計(jì)算電機(jī)負(fù)載瞬態(tài)峰值扭矩輸出性能[6],結(jié)果如圖3所示,電機(jī)外特性如圖4所示。

圖3 峰值扭矩瞬態(tài)輸出曲線

圖4 電機(jī)外特性

由圖3可知,電機(jī)峰值扭矩輸出在2 710 N·m附近,由圖4可知,電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min,峰值功率可通過外特性圖和式(2)計(jì)算,其值達(dá)到160 kW以上,電機(jī)輸出性能滿足設(shè)計(jì)要求。

Pp=Tp·nz/9 550

(2)

式中:Pp為電機(jī)峰值功率;Tp為電機(jī)峰值扭矩;nz為電機(jī)峰值扭矩可持續(xù)的最大轉(zhuǎn)速。

在上述性能計(jì)算的基礎(chǔ)上,優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)模型。通過熱模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱網(wǎng)絡(luò)有限元分析:考慮到導(dǎo)線絕緣層厚度、槽絕緣厚度、機(jī)座和鐵芯間加工工藝等影響,對(duì)電機(jī)繞組溫升、磁鋼溫升進(jìn)行仿真計(jì)算。

設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃,并設(shè)置材料的導(dǎo)熱系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容以及冷卻液的入水溫度、流量等相關(guān)參數(shù)[7],具體數(shù)值如圖5所示。

圖5 冷卻參數(shù)設(shè)置圖

分析結(jié)果界面如圖6所示,可以看到電機(jī)內(nèi)部各部件的溫度分布情況。從仿真結(jié)果來看,電機(jī)處于峰值扭矩下的峰值功率工況瞬態(tài)運(yùn)行30 s后,繞組最高溫度僅101.3 ℃,內(nèi)外層繞組溫度差不超過10 ℃,所設(shè)計(jì)電機(jī)的散熱效果較佳。

圖6 峰值瞬態(tài)運(yùn)行30 s電機(jī)內(nèi)部溫度分布圖

1.2 行星排減速器設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1節(jié)設(shè)定的電機(jī)性能指標(biāo)中的峰值轉(zhuǎn)速n,并結(jié)合整車目標(biāo)參數(shù),可以通過式(3)計(jì)算出減速器的速比i約為5.6。

i=n/nl

(3)

針對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特點(diǎn),選擇與內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)同軸的行星排齒輪變速機(jī)構(gòu)作為減速增扭模塊,相比普通減速器,其具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、維保成本低的優(yōu)勢。另外,行星排結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定持續(xù)輸出大扭矩,從而使得整車在不同路況下的動(dòng)力輸出更加平穩(wěn)[8]。

如圖7所示,行星排減速器由太陽輪、行星輪、齒圈、行星排框架等主要部件組成[9]。將電機(jī)軸輸出端作為行星排太陽輪輸入端,行星排框架作為減速器的輸出端,齒圈起制動(dòng)作用。行星排減速器的輸出參數(shù)見表3。

圖7 行星排齒輪箱示意圖

表3 行星排減速器部分參數(shù)

為保證行星排減速器運(yùn)行過程中的可靠性,太陽輪和行星輪的材質(zhì)選用20CrMnTi合金鋼,輸出框架的材質(zhì)選用38CrSi合金鋼,這兩種材質(zhì)的強(qiáng)度高、韌性好,同時(shí)毛坯鍛造加工的工藝性較好;齒圈的材質(zhì)選用38CrMoALA高級(jí)氮化合金鋼,這種材質(zhì)具有很高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。

1.3 輪轂總成設(shè)計(jì)

考慮進(jìn)一步釋放整車底盤的空間要求,對(duì)輪轂電機(jī)總成進(jìn)行一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)本體和行星排齒輪箱減速器集成于同一個(gè)機(jī)殼內(nèi)部。輪轂總成最大軸向長度控制在465 mm,機(jī)殼腔體內(nèi)的前半部分為行星排齒輪箱結(jié)構(gòu),后半部分為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)[10]。同時(shí)在電機(jī)尾端增加制動(dòng)盤結(jié)構(gòu),輪轂總成的裝配剖視圖如圖8所示。

圖8 輪轂總成的裝配剖視圖

2 設(shè)計(jì)校核驗(yàn)證

2.1 電機(jī)部件強(qiáng)度校核

根據(jù)電機(jī)目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件及附屬件。轉(zhuǎn)子總成應(yīng)最大承受2 700 N·m扭矩,其兩端由裝入端蓋軸承室的滾動(dòng)軸承支撐,輸出端通過法蘭盤傳遞扭矩給太陽輪。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子和端蓋進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析,其形變?cè)茍D如圖9所示。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)子和端蓋靜態(tài)受力形變?cè)茍D

由圖9可知,電機(jī)轉(zhuǎn)子最大形變量小于0.02 mm,端蓋軸承室最大形變量小于0.01 mm,滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

2.2 行星排減速器強(qiáng)度校核

行星排減速器中的太陽輪經(jīng)滲碳淬火回火后,齒面接觸疲勞極限σHlim可達(dá)到1 590 MPa、齒根彎曲疲勞極限σFlim達(dá)到485 MPa;行星輪經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,齒面接觸疲勞極限σHlim可達(dá)到510 MPa、齒根彎曲疲勞極限σFlim達(dá)到210 MPa;齒圈經(jīng)表面氮化處理后,齒面接觸疲勞極限σHlim可達(dá)到1 280 MPa。對(duì)行星排機(jī)構(gòu)中各齒輪按電機(jī)峰值點(diǎn)運(yùn)行10 000 h后進(jìn)行強(qiáng)度核驗(yàn),計(jì)算出齒面接觸強(qiáng)度安全系數(shù)SH[11]和齒根彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)SF[12],計(jì)算公式如下:

(4)

(5)

代入各齒輪的齒面接觸疲勞極限σHlim和齒根彎曲疲勞極限σFlim等[13],可得出如下結(jié)果:

太陽輪:SH=3.3;SF=8.7

行星輪:SH=1.1;SF=3.9

齒圈:SH=4.5

可見,各齒輪的安全系數(shù)SH和SF值均大于1,行星排結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足理論設(shè)計(jì)要求。

2.3 制動(dòng)盤瞬態(tài)校核

制動(dòng)盤采用外徑340 mm、厚度30 mm的空心結(jié)構(gòu),材料選用HT250灰鑄鐵,并進(jìn)行時(shí)效處理,這種材料具有較好的耐磨性能和減震性能。對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真,分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 制動(dòng)盤瞬態(tài)受力形變?cè)茍D

由圖10可知,制動(dòng)盤瞬態(tài)最大形變量遠(yuǎn)小于0.001 mm,實(shí)際可忽略,滿足應(yīng)用需求。

2.4 輪轂總成與輪輞裝配驗(yàn)證

輪轂總成導(dǎo)入給定尺寸Φ480 mm×480 mm的輪輞空間后,其輪輞內(nèi)壁單邊與輪轂電機(jī)總成存在有8 mm的間隙,可以保證在運(yùn)動(dòng)過程中,輪轂電機(jī)總成與輪輞之間有足夠的安全距離。內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)裝配如圖11所示。

圖11 輪轂總成與輪輞裝配圖

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)本體、行星排減速器、輪轂總成進(jìn)行電磁和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。綜合對(duì)各部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核,以及驗(yàn)證輪轂總成與輪輞間的裝配結(jié)果,且根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行電磁仿真和熱仿真,其結(jié)果滿足電機(jī)的性能開發(fā)目標(biāo),整體方案初步具備可行性,對(duì)后續(xù)內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的深度研究具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。