一種越野車用輪邊永磁電機研制

杜萬亮 李勇 解德杰 吳昊洋 陳文鵬

摘? 要：隨著電驅動技術研究逐漸深入，整車驅動系統的布置結構也逐漸由單一動力源的集中式驅動向多動力源的分布式驅動發展。與集中式驅動相比，分布式驅動省去了變速器、傳動軸、機械差速器、半軸等部件，把電機移動到車輪側，使傳動結構變得更為簡單。現針對四輪獨立驅動的可翻轉輪架車輛，綜合小體積、低重量、低噪聲、低發熱和動態響應要求高的要求，對輪邊電機的結構和電磁方案進行優化，充分利用電磁材料以獲得良好的綜合性能。

關鍵詞：內置式;有限元;磁負荷;輕量化;參數提取;特性設計

0? ? 引言

輪邊電機要比集中驅動的電機技術要求更高。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、低發熱，使設計難度加大。輪邊電機通過控制多個電機來實現驅動和差速，整體技術難度比較高，對電機的動態響應要求高。

本文綜合小體積、低重量、低噪聲、低發熱和動態響應要求高的要求，對電機的結構和電磁方案進行優化，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整車驅動，整車不帶機械差速靠電機獨立驅動控制實現各輪的差速控制。輪邊電機及減速器裝在車輪邊上單獨驅動相應的車輪，取消了主減速器和差速器，有利于減輕動力傳動系統質量，提高傳動效率，有利于優化整車的總布置和動力學性能匹配。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、低發熱。

本電機配套的整車為四輪獨立驅動的可翻轉輪架車輛，為滿足全地形高通過性的要求，有原地轉向、越野、最高速、越壕、側傾坡行駛、越障、大坡度爬坡、松軟路面和續航里程等基本功能和性能要求。原地轉向、越障、越壕、爬坡工況的動力配置需要與車身姿態調節、輪架翻轉電機系統、結構設計等相匹配實現。

1.2? ? 整車牽引力計算

1.2.1? ? 牽引力計算的考慮因素

根據整車動力學仿真，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仿真的基礎上綜合校核整車的加減速性能、電源系統容量、制動性能和制動電阻的吸收能力確定[1]。

根據車輛行駛動力學理論，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;ms為整車質量;α為坡道角度;δ為等效轉動慣量;a為車輛加速度;CD為迎風阻力系數;A為迎風面積;v為車速。

1.2.2? ? 最大牽引力確定

綜合考慮整車的質心和整車姿態的調節、電機負荷不均的程度、輪胎在各地面的附著能力，分別進行原地轉向所需牽引力和爬坡動力的計算。經計算，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、電源系統容量、制動性能和制動電阻的吸收能力確定。

2? ? 電機方案設計

綜合考慮電機的軸向尺寸限制、重量限制和緊湊化的設計要求，根據參考文獻[2-4]進行結構和電磁方案的設計。在采用鋁合金和鈦合金輕量化材料實現減重的基礎上，針對產品過載、低速大轉矩的工作特性，采用高磁負荷的電磁方案設計[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]，準確計算電機的主要參數。基于電機學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提取和各工況下電機磁負荷校核，采用場路結合的方法進行電機電磁方案設計。

根據尺寸空間的要求，確定外徑和軸向長度;根據內置式永磁電機的特點，優選極槽配合、轉子外徑和氣隙大小;結合峰值轉矩大、輕量化的要求，采用一字型轉子槽型和定子斜槽，便于轉子采用鈦合金內套以實現輕量化，優化磁鋼的寬度和厚度尺寸、優化漏磁和極弧系數以利用磁阻轉矩增強過載能力，實現了電磁與結構的優化匹配。

電磁方案相關參數如表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速下的轉矩輸出性能，輸出轉矩較平穩，轉矩脈動較小。

2.2.3? ? 過載能力分析

根據弱磁的基本原理[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轉速下的轉矩輸出性能如圖1所示，輸出轉矩較平穩，轉矩脈動1.1%。峰值轉矩中磁阻轉矩的比例高達60%以上。2.2.4? ? 高磁負荷分析

為了實現電機的輕量化和保證電機的轉矩輸出，需要對峰值轉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進行各部磁場分布情況提取，如圖2所示。可見，在峰值轉矩輸出時，電機鐵芯各處的磁密分布較高，各最高值在飽和值附近，方案實現了高磁負荷的設計，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進行電機轉矩輸出分析的基礎上，進行計算分析參數的提取，利用程序進行電機的特性分析，電機設計的額定特性輸出如圖3所示。

3? ? 結構設計

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，轉軸及轉子內套為鈦合金，花鍵與轉軸過盈連接。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有接觸式密封，防護等級滿足IP67要求。

為了實現輕量化和軸承軸向尺寸的合理布置，采用中空轉子結構，轉子鐵芯熱套在套筒上，再通過法蘭經設計的配合止口與轉軸連接。

4? ? 試驗結果

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果與設計值對比情況如表2所示。

5? ? 結語

本文對所研制的輪邊電機進行了介紹，研制電機經過了型式試驗和裝車試驗初步考核，驗證了電磁方案設計的準確性，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調節、輪架翻轉系統、結構設計等相匹配，還需要深入的試驗對電機的性能和系統的匹配性進行評估，同時需要對整車的工況和運行特點進行研究，以更好地優化電機系統性能。

[參考文獻]

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[7] 趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用[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弱磁控制策略綜述[J].電源學報，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：新能源電驅動系統。