8米純電動公交車驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

張秋霞

摘要：針對8米純電動公交車驅(qū)動用永磁同步電機（以下簡稱電機）進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計，主要從電機體積、重量、散熱性、節(jié)約成本等方面進行了說明和論述。通過分析及實驗結(jié)果表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的電機更能滿足車輛使用要求，高效工作區(qū)范圍廣，更加輕量化，經(jīng)濟性更好。

關(guān)鍵詞：8米純電動公交車 驅(qū)動電機 結(jié)構(gòu) 輕量化

0 前言

新能源純電動汽車行業(yè)近幾年來發(fā)展迅速，尤其純電動公交車的市場需求不斷增大。電動汽車以其噪聲小、零排放等優(yōu)點成為現(xiàn)代交通工具和清潔汽車技術(shù)的最佳解決方案，純電動公交車驅(qū)動電機為整車驅(qū)動系統(tǒng)中的核心部件[1]。目前，純電動公交車的驅(qū)動電機主要為稀土永磁同步電機，對電機的要求，正向著輕量化、高效、經(jīng)濟性好的方向發(fā)展。公交車為了乘客上下方便，更傾向于一級踏步設(shè)計，要求電機外徑越小越好。

本文針對8米純電動公交車驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足電機結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、成本低等要求，更能適應(yīng)新能源公交車的需求。

1 電機的參數(shù)要求

8米純電動公交車驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求如表1所示。

2 電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化概述

目前此款8米純電動公交車所用驅(qū)動電機為定子外徑Ф365mm的永磁同步電機（以下簡稱365電機），其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。經(jīng)過電磁性能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進，將365電機改進為結(jié)構(gòu)更加緊湊的定子外徑為Ф325mm的永磁同步電機（以下簡稱325電機），其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

改進前后的電機結(jié)構(gòu)主要對比點見表2.

2 電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化特點

此次電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要特點為減小電機外徑、輕量化、易加工、節(jié)約成本、節(jié)約安裝空間等特點，下面針對結(jié)構(gòu)優(yōu)化內(nèi)容進行說明。

2.1 ?帶軸套的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

在電機軸上安裝軸套，用軸套支撐轉(zhuǎn)子鐵心，軸套為空心結(jié)構(gòu)，能有效減重，并節(jié)約硅鋼片材料。若無軸套，轉(zhuǎn)子鐵心直接安裝在軸上，轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑為Ф75mm，使用軸套后，轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑為Ф148mm，單片轉(zhuǎn)子沖片節(jié)約材料面積12779mm2，進而有效節(jié)約成本。同時，此結(jié)構(gòu)的設(shè)計可有效減輕轉(zhuǎn)子整體重量，365電機轉(zhuǎn)子整體重量為63kg，改進后的325電機轉(zhuǎn)子重量為46kg，減重17kg。

對改動后的電機軸系進行了校核，此電機軸與軸套采用20CrMnTi材料（屈服強度835Mpa），如圖3所示，為電機運行最大扭矩狀態(tài)（1600nm，955rpm）校核結(jié)果，如圖4所示，為電機運行最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)（510nm，3000rpm）校核結(jié)果，仿真結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)在電機運行最大扭矩狀態(tài)時所受力最大，此時安全系數(shù)為2.3，可滿足使用要求。

2.2 ?拉伸機殼

電動公交車電機機殼，目前大部分采用鑄造鋁合金機殼，水道為螺旋水道。鑄造的加工方法成本較高，需要使用鑄造模具，而且，同一款電機，在不改變定子外徑的前提下，如需改變功率，需改變定子長度，改變機殼長度，鑄造機殼即需要重新設(shè)計模具，造成成本浪費。

此次改進后的325電機，采用拉伸擠出機殼，冷卻水道為折返型，此機殼可任意選取長度，無需重復(fù)設(shè)計模具，節(jié)約成本，且較相同尺寸鑄造機殼重量輕。

圖5為對此拉伸機殼的三維模型（水道未封堵示意圖），365電機機殼重量25Kg，325電機機殼重量16kg，減重9kg，機殼外徑較365電機減小45mm，更能節(jié)省安裝空間，滿足公交車一級踏步登車要求。

2.3 ?前置出線盒結(jié)構(gòu)

改進后的325電機出線盒在前端，與軸伸共用軸向空間，能有效減小電機長度，結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時，此接線盒的設(shè)計可滿足電機三相動力線纜軸向、徑向兩個方向出線的要求，對不同的使用環(huán)境適應(yīng)能力更強，節(jié)約成本，無需重復(fù)設(shè)計接線盒。此外，對軸向出線的線纜，設(shè)計了卡箍結(jié)構(gòu)進行固定和保護，避免在使用過程中電纜根部發(fā)生損壞等現(xiàn)象。

2.4 ?聯(lián)軸器與軸采用脹套連接

此電機結(jié)構(gòu)的改進，還將365電機前端聯(lián)軸器與軸的花鍵連接方式改為脹套連接，此連接方式的優(yōu)點為，電機軸與聯(lián)軸器均不需要加工花鍵結(jié)構(gòu)，加工難度大大降低，加工精度更容易保證。脹套為國標標準件，可節(jié)約成本，縮短生產(chǎn)周期，安裝方便且使用可靠。

除以上結(jié)構(gòu)特點外，減小了定子外徑，有效減小定子重量，365電機定子重量76kg，325電機定子重量63kg，有效減重13kg。

此電機前后端蓋與機殼之間采用止口過度配合，安裝時涂密封膠密封。接線盒蓋與接線盒、旋變室蓋板與后端蓋之間采用O型密封圈密封，三相電機動力出線線纜采用電纜專用防水屏蔽接頭密封與屏蔽，電機整體結(jié)構(gòu)達到IP67要求。

3 試驗結(jié)果

將改進的325電機進行性能測試，電機絕緣等級為H級，繞組溫升按H級考核，電阻法允許溫升125℃，測得額定點溫升48℃，峰值點溫升94℃，額定點和峰值點溫升有較大的余量。滾動軸承允許溫升為55℃，測得軸伸端軸承溫升47℃，非軸伸端軸承溫升46℃，也有較大余量。此結(jié)果說明所用機殼水冷散熱水道方案是可行的。

測得電機噪聲聲壓級78dB，標準要求小于100db，高于標準，符合要求。

改進后的電機重量151Kg，較結(jié)構(gòu)改進之前整體減重22%，結(jié)構(gòu)尺寸及重量在需求范圍內(nèi)，且結(jié)構(gòu)更加緊湊。通過優(yōu)化，成本節(jié)約16%。

325電機效率Map圖如圖6所示，可見，其高效工作區(qū)范圍廣，此電機結(jié)構(gòu)改進方案是可行的。

4 結(jié)束語

本文主要對8米純電動公交車驅(qū)動電機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究，從各結(jié)構(gòu)優(yōu)化特點及內(nèi)容、仿真驗算、實驗結(jié)果等方面進行驗證，證明該電機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可使同性能電機達到體積小、重量輕、噪音低、高效工作區(qū)廣、節(jié)約成本等目的，可更好地滿足8米純電動公交車的驅(qū)動需求，為公交車驅(qū)動電機的開發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗。

5.參考文獻

[1] 趙立峰，李云清.純電動大客車動力傳動系統(tǒng)的研究[J].汽車工程，2013128.