本文基于一款新能源車輛對分布式驅(qū)動下直驅(qū)輪轂電機的需求，開發(fā)了一款輪轂電機。首先完成了性能參數(shù)指標(biāo)下的總體方案設(shè)計，進(jìn)行了電磁設(shè)計，采用有限元仿真方法得到了電機空載及負(fù)載性能；進(jìn)而進(jìn)行了輪轂電機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及散熱分析；最后制作了樣機，完成了臺架測試。結(jié)果表明，電機具有高轉(zhuǎn)矩密度、良好的散熱等輸出性能，滿足設(shè)計指標(biāo)，可為輪轂電機設(shè)計提供了一定參考和依據(jù)。

1 指標(biāo)參數(shù)與總體方案

1.1 指標(biāo)參數(shù)

整車廠針對一款小型SUV車輛，設(shè)計了分布式驅(qū)動方案，采用四輪直驅(qū)輪轂電機作為動力驅(qū)動裝置。由整車最高車速、最大爬坡度、爬坡車速、百公里加速時間、續(xù)駛里程等性能需求，以及電池配備和運行環(huán)境，經(jīng)過整車計算分析得到輪轂電機參數(shù)指標(biāo)要求，如表1所示。

表1 輪轂電機指標(biāo)參數(shù)

1.2 總體方案

傳統(tǒng)的永磁電機氣隙磁密不足、繞組系數(shù)不高，作為輪轂電機表現(xiàn)有一定的局限性，面對輪轂電機所布置的輪輞內(nèi)部空間長度限制，尺寸無法滿足要求。輪轂電機的總體設(shè)計原則是在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡可能地減小電機尺寸及質(zhì)量，提升轉(zhuǎn)矩密度。為增加氣隙直徑以提高轉(zhuǎn)矩，本文采用外轉(zhuǎn)子設(shè)計。表貼式永磁體結(jié)構(gòu)，受電機旋轉(zhuǎn)離心力后更加貼合鐵心，不占用轉(zhuǎn)子鐵心軛部空間，氣隙直徑可進(jìn)一步提升，同時可通過永磁體聚磁結(jié)構(gòu)設(shè)計來提升氣隙磁密。為降低輪轂電機軸向空間尺寸，采用分?jǐn)?shù)槽繞組設(shè)計，每個線圈跨過一個齒，繞組端部短。

根據(jù)整車16寸輪轂尺寸，得到輪轂電機空間外包絡(luò)，考慮安裝間隙和機殼厚度，確定定子鐵心最大外徑。由軸向尺寸結(jié)合端面機械結(jié)構(gòu)厚度和電氣間隙，確定定子和轉(zhuǎn)子的鐵心長度。輪轂電機散熱難度大，本文采用強迫水冷方式，選用導(dǎo)熱系數(shù)高的環(huán)氧樹脂對繞組和定子進(jìn)行灌封，在定子內(nèi)部設(shè)計冷卻及支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確定定子內(nèi)徑最小尺寸。然后綜合考慮電機轉(zhuǎn)矩、功率輸出特性及線負(fù)荷、電流密度、熱負(fù)荷等設(shè)計參數(shù)，確定輪轂電機方案。

2 電磁設(shè)計

2.1 主要參數(shù)設(shè)計

根據(jù)徑向磁場的永磁電機轉(zhuǎn)矩輸出公式，輸出有效轉(zhuǎn)矩密度Tn可以寫成：

(1)

式中：Ke為反電動勢系數(shù)，與繞組排布及繞組因數(shù)有關(guān)；Ki為電流系數(shù)；KPW為功率系數(shù)；η為電機效率；Bgmax為氣隙磁密最大值；A為電機線負(fù)荷；Dg為電機氣隙直徑；Lef為電機鐵心有效長度；M為電機有效質(zhì)量。

由式(1)可以看出，在其他參數(shù)不變的條件下，增加反電動勢系數(shù)Ke、氣隙磁密Bgmax及氣隙直徑Dg，可增加轉(zhuǎn)矩密度Tn。根據(jù)相關(guān)研究，采用永磁體聚磁結(jié)構(gòu)，可有效提升氣隙磁密，改善波形正弦度，降低電機諧波，減小轉(zhuǎn)子軛部厚度[7-8]。如圖1所示，每極永磁體由主磁鋼和副磁鋼構(gòu)成，主磁鋼提供主磁場，副磁鋼提供聚磁磁場，使得磁場向氣隙方向聚集。

圖1 聚磁結(jié)構(gòu)示意圖

相對于繞組因數(shù)為0.866的常用分?jǐn)?shù)槽繞組2/3極槽配合，8/9極槽配合繞組因數(shù)更高，達(dá)到0.945，為避免8/9極槽配合所產(chǎn)生的不平衡磁拉力，采用其偶數(shù)倍32極36槽設(shè)計。

為提高氣隙磁密、提升轉(zhuǎn)矩密度，單邊氣隙長度應(yīng)盡可能小，但需要考慮輪轂電機直徑大，殼體、輪轂軸承等相關(guān)機械件精度，以及輪轂電機在輪胎內(nèi)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏擺和路面行駛產(chǎn)生振動，適當(dāng)增加氣隙長度。

輪轂電機在高轉(zhuǎn)矩輸出下發(fā)熱嚴(yán)重，設(shè)計時綜合考慮散熱能力，合理設(shè)計電機電流密度及熱負(fù)荷數(shù)值。嚴(yán)格設(shè)計熱參數(shù)的同時，選用耐溫高、性能強的N38EH釹鐵硼材料，防止永磁體高溫退磁。電機設(shè)計參數(shù)基于有限元仿真進(jìn)行優(yōu)化確定，主要尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 輪轂電機主要尺寸參數(shù)

2.2 有限元仿真

根據(jù)表2的主要尺寸，對輪轂電機搭建模型，采用四分之一模型以縮短仿真時間，有限元仿真模型如圖2所示。其中轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面貼有兩種磁鋼，主磁鋼設(shè)計有凹槽，配合轉(zhuǎn)子鐵心凸起完成固定，副磁鋼通過梯形窄口設(shè)計進(jìn)行機械限位，避免脫落風(fēng)險。基于有限元方法進(jìn)行仿真分析，得到最高工作轉(zhuǎn)速1 400 r/min下電機空載反電動勢曲線，如圖3所示。空載徑向氣隙磁密隨角度變化曲線如圖4所示，可以看到，經(jīng)過聚磁后，氣隙磁密幅值可達(dá)1.45 T。

圖2 有限元仿真模型

圖3 空載反電動勢曲線

圖4 空載徑向氣隙磁密曲線

輪轂電機采用SVPWM控制，表貼式永磁電機通常采用Id=0控制[9]。為提高設(shè)計及控制精度，本文經(jīng)過仿真找到最優(yōu)轉(zhuǎn)矩角α并不是0，即電流中存在Id分量，峰值電流下不同轉(zhuǎn)矩角得到的輸出轉(zhuǎn)矩平均值曲線如圖5所示。負(fù)載仿真時采用尋到的最優(yōu)角度，依據(jù)控制器功率模塊限制給定電流，得到峰值轉(zhuǎn)矩，如圖6所示。經(jīng)過計算，峰值工況下的電機線負(fù)荷為1 443 A/cm，電流密度為33.78 A/mm2，熱負(fù)荷為48 745 A2/(cm·mm2)。電機磁力線分布圖如圖7所示?？梢钥吹?，在定子繞組通入峰值電流時，主磁鋼和副磁鋼磁力線仍按照充磁方向分別沿徑向和切向形成回路。

圖5 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩角曲線

圖6 峰值轉(zhuǎn)矩曲線

圖7 電機磁力線分布圖

為進(jìn)一步分析輪轂電機散熱情況，通過仿真和計算得出額定工況及峰值工況下電機銅耗及鐵耗，如表3所示?？梢钥吹?，在輪轂電機低轉(zhuǎn)速段，鐵耗小；大轉(zhuǎn)矩輸出時，銅耗大，將會在定子繞組中產(chǎn)生發(fā)熱，需要關(guān)注繞組溫升性能。

表3 輪轂電機負(fù)載主要損耗

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計及散熱分析

3.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

輪轂電機結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、機殼、端蓋、軸承、旋變及油封等部件，與傳統(tǒng)汽車電機不同，本文設(shè)計輪轂電機沒有電機軸，采用第三代輪轂軸承作為定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)支撐部件，將電機軸與軸承合為一體設(shè)計，縮短整機軸向空間。為提高輪轂電機散熱能力，設(shè)計了位于輪轂軸承和定子之間的定子支架，來支撐固定定子，同時該部件中間內(nèi)部為散熱水道，可為冷卻液提供散熱路徑。采用大口徑油封進(jìn)行整機密封，以達(dá)到防護(hù)等級要求。由于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，集中驅(qū)動形式的電機旋轉(zhuǎn)變壓器并不適合，本文采用大外徑旋轉(zhuǎn)變壓器，旋轉(zhuǎn)變壓器定子位于定子支架上，轉(zhuǎn)子位于機殼上。為降低輪轂電機質(zhì)量，對殼體進(jìn)行減薄，同時外圓布置加強筋，以增加機械強度。電機端面圓周處設(shè)計有螺紋接口，方便集成制動系統(tǒng)。輪轂電機數(shù)模外形如圖8所示。數(shù)模剖面圖如圖9所示。

圖8 輪轂電機數(shù)模外形圖 圖9 輪轂電機數(shù)模剖面圖

3.2 散熱計算

輪轂電機的散熱問題一直是研究的重點，需要將電機損耗產(chǎn)生的熱量有效帶走，提升輪轂電機溫升性能。輪轂電機繞組損耗大，發(fā)熱重，是制約電機能力的主要問題。水冷電機繞組的主要傳熱路徑是由繞組經(jīng)絕緣層到鐵心，再傳導(dǎo)至水道金屬壁，最后由冷卻液帶走熱量。根據(jù)熱傳導(dǎo)公式：

(2)

式中：Q為熱流量；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；S為導(dǎo)熱面積；ΔT為溫度差值；h為物體厚度。

由式(2)可知，提高傳熱物體的導(dǎo)熱系數(shù)，可以提升熱流量。傳統(tǒng)電機采用的絕緣漆導(dǎo)熱系數(shù)在0.2 W/(m·K)左右，本文采用導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/(m·K)雙組分環(huán)氧樹脂對輪轂電機定子及繞組進(jìn)行整體灌封，應(yīng)用真空灌封工藝，使環(huán)氧膠充分填充帶繞組定子，在繞組端部形成固化絕緣散熱層，提升散熱性能的同時，加強了絕緣性能，整體灌封定子如圖10所示。配合定子支架內(nèi)部的冷卻水道結(jié)構(gòu)，對定子進(jìn)行強制散熱。

基于前文電磁仿真中計算的輪轂電機主要損耗值，應(yīng)用熱網(wǎng)絡(luò)法對電機溫度進(jìn)行分析，得到電機分別使用絕緣漆浸漆和環(huán)氧膠灌封絕緣處理的溫升對比曲線。持續(xù)工況下溫升如圖11所示，峰值工況下溫升如圖12所示?？梢钥吹?，使用環(huán)氧膠灌封較絕緣漆浸漆散熱性能明顯提升，尤其持續(xù)工況時溫度下降30 ℃。

圖11 持續(xù)工況溫升對比

圖12 峰值工況溫升對比

4 樣機制作及實驗驗證

根據(jù)設(shè)計方案制作了輪轂電機樣機，定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心及測試平臺如圖13所示。對零部件及整機稱重計算得到，有效電磁件包含帶繞組定子、轉(zhuǎn)子鐵心及永磁體，質(zhì)量合計18.4 kg，輪轂電機整機總質(zhì)量31 kg。

經(jīng)過臺架測試結(jié)果，1 400 r/min下的線反電動勢實測波形如圖14所示，幅值為268 V，與仿真結(jié)果基本一致。測試了多電壓下輪轂電機峰值外特性，實測曲線如圖15所示，峰值轉(zhuǎn)矩與仿真計算值800 N·m一致，最低電壓280 V下峰值功率仍能輸出50.6 kW?？芍?，輪轂電機有效轉(zhuǎn)矩密度為43.5 N·m/kg，整機轉(zhuǎn)矩密度為25.8 N·m/kg。實測效率Map圖如圖16所示，輪轂電機最高效率94.5%。經(jīng)過軟件計算，電機效率大于80%的面積占全部面積的85.4%。

圖14 實測反電動勢曲線

圖15 多電壓電機峰值外特性曲線

圖16 實測效率map圖

在額定電壓393 V、冷卻液流量10 L/min、環(huán)境溫度25 ℃條件下，對電機溫升進(jìn)行了測試，實測繞組端部溫度曲線如圖17所示。可以看到，輪轂電機持續(xù)工況450 N·m下30 min后溫度不再變化，可以持續(xù)運行，峰值工況800 N·m下運行時間大于新能源乘用車推薦標(biāo)準(zhǔn)30 s。

圖17 實測輪轂電機溫升曲線

5 結(jié) 語

本文針對新能源車分布式四輪驅(qū)動需求，研究并設(shè)計了一款輪轂電機，采用直接驅(qū)動車輪的外轉(zhuǎn)子表貼式永磁同步電機方案，主要參數(shù)為峰值轉(zhuǎn)矩800 N·m，最低電壓下峰值功率50 kW，最高工作轉(zhuǎn)速1 400 r/min，最高效率94.2%。給出了設(shè)計原則及主要尺寸參數(shù)，進(jìn)行了電磁方案設(shè)計，采用有限元仿真方法得到了空載電機反電動勢及氣隙磁密，負(fù)載最佳轉(zhuǎn)矩角及峰值轉(zhuǎn)矩性能。計算了峰值工況下線負(fù)荷、電流密度及熱負(fù)荷，為輪轂電機設(shè)計提供了一定參考。設(shè)計了輪轂電機機械結(jié)構(gòu)，提出一種通過帶繞組定子使用高散熱系數(shù)環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行整體灌封，配合帶有中間水道定子支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強制散熱的方法?；趽p耗計算，經(jīng)過和傳統(tǒng)浸漆方案的散熱對比分析，發(fā)現(xiàn)強制散熱方法可以有效大幅度降低輪轂電機溫升。最后制作了樣機，并進(jìn)行了臺架測試，得到了與理論計算和設(shè)計分析相符的測試結(jié)果，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。輪轂電機有效轉(zhuǎn)矩密度高達(dá)43.5 N·m/kg，整機轉(zhuǎn)矩密度為25.8 N·m/kg。散熱性能良好，額定和負(fù)載溫升性能佳，證明了設(shè)計方法的正確性及可行性。

審核編輯：郭婷