新能源汽车用轮边驱动电动机转子模态分析

张之剑 杨绪平

摘  要：文章叙述了新能源汽车对电机的基本要求，并对一种新型混合动力电机电磁设计、结构设计、散热、结构强度和模态展开分析探讨。随着汽车工业的不断发展及汽车保有量的快速增加，能源短缺和环境污染日益严重。人们对更清洁、更环保、来源更丰富的新动力展开了研究探索。新能源汽车是指采用非常规车用燃料作为动力来源（或使用常规车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。电动汽车作为新能源汽车的主要构成部分，以电驱动为基础，不仅在能源、环境等方面具有独特的优越性和竞争力，而且能够利用现代控制技术实现机电一体化目标，因而有着广阔的发展前景。电机作为动力输出的执行单元成为研究的热点。考虑复杂环境、高功率要求和宽调速范围的电机设计成为研究的重点。

关键词：新能源;电动机;模态分析

一、新能源汽车驱动电机基本性能要求

新能源汽车用电机在满足汽车行驶时对扭矩的要求，还需要考虑行驶舒适性、环境适应性和单次充电续航里程等要求。同时应用于混合动力汽车的电机，需要安装在汽车动力总成内狭小的空间内，其工作环境（高温、散热条件差、耐油腐蚀等）比普通电机恶劣的多。所以此类电机比普通工业用电机具有更加严格的技术规范及性能要求。

二、电机结构

永磁同步电机由定子、转子和端盖等部件组成。定子与普通感应电机基本    相同，也采用叠片结构以减小电机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实心的，也可以叠片冲压而成。永磁同步电机的种类繁多，按照定子绕组感应电动势的波形的不同，可以分为正弦波永磁同步电机（PMSM）和梯形波永磁同步电机（BLDC）。正弦波永磁同步电机定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y 型连接，采用短距分布绕组。气隙场设计为正弦波，以产生正弦波反电动势。转子采用永磁体代替电励磁，根据永磁体在转子上的安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类：表面式、内置式和爪极式。正弦波永磁同步电机属于自控式电机，只是电动机的定子反电势和电流波形均为正弦波，并且保持同相，其可以获得与直流电机相同的转矩特性，而且能实现恒转矩的调速特性。

三、三维实体电机模型的建立

驱动电机安装在电动汽车前舱，由于汽车前舱布置了很多零部件，结构也很紧凑，预留给电机的空间有限，根据整车对电机三维尺寸的需求，电机的外形尺寸定为：长394mm，宽260mm，高298mm。驱动电机的主要组成部件包含：定子、转子、前端盖和后端盖等部件。

（一）定子建模

定子包含铁芯和机壳，铁芯外径为210mm，内径136mm，采用48槽，长度为118mm，如图2所示。

（二）转子建模

转子包含电机轴、转子铁芯和磁钢。电机轴采用阶梯轴，电机与减速器是通过花键啮合，由于电机转子的速度很高，所以电机轴的最小直径不能设计地过小，电机轴的刚度应满足电机最高转速的需求。如图3所示。

转子铁芯采用的是分段磁极，这样做可以很大程度地削弱齿槽转矩，在转子铁芯分段设置时，两段的磁极错开一定角度，两段的力矩部分抵消，使得力矩脉动减小，从而使电机低速运行平稳性好，电机的起动电压降低，汽车起动和加速性能更加平稳。转子叠片可以通过圆环与轴之间的过盈配合压紧。转子的磁极采用“V”形状，转子包含八个磁极，转子外径为135mm，长度为120mm。硅钢片上沿轴向均匀分布圆孔，用于减轻电机的重量，同时冲压了“V”型槽，用于安装永磁体。

（三）电机总装

由于电机工作范围比较特殊，必须防尘防灰，采用密封式的设计，所以设计接线盒和旋变保护盖的作用就是为了封闭电机。电机控制是通过旋转变压器实现的，由于旋转变压器是比较敏感的元器件，所以旋转变压器 对安装精度要求比较高，旋转变压器的定子与电机后端盖通过止口定位，旋转变压器的转子与电机轴同轴。电机总装图如下图所示。

四、新型混合动力汽车电机设计

与传统汽车相比，混合动力汽车采用发动机和电机协同工作的模式，有效减小了燃油消耗和污染物排放，同时与纯电动相比，不受续航里程限制，因此成为目前新能源汽车研究与开发的重点之一。随着技术的不断发展至今，目前新能源电机采用的驱动电机有四大类：直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。各种系统具有各自的优缺点，其中永磁同步电机以无可比拟的转矩密度、效率及调速范围宽等优势，在绝大多数新能源汽车中得到了很好的应用。但对于混合动力驱动系统中的单轴并联式ISG混合动力驱动电机，由于安装空间有限，功率密度要求高等要求，永磁同步电机成为首选。同时ISG混合动力汽车只需要对内燃机做简单改造实现混合动力技术，改造成本低，容易批量生产。

1.散热分析

混合动力汽车的驱动电机系统，功率大体积小，受散热条件限制，其大部分的功率区都无法满足稳态持续运行的条件，电机主要以高功率短时运行为主。但是通过稳态温度场的仿真计算，可以了解电机各部分的热阻特性以及水冷系统的散热性能等重要参数，比如在保护温度下的最大散热功率、可稳态持续运行的最大相电流、最大温升发生的位置以及最大热阻所在位置等。这些参数对指导电机散热措施的设计有重要意义。

2.结构强度和模态分析

对电机各部分结构分别进行了结构强度校核及振动模态分析，仿真结果表明该结构设计满足电機运行工况需求。

3.试验样机

在以上电磁设计、结构设计、温度场仿真及结构强度和模态分析的基础上，试制了一台ISG混合动力电机。并准备卜测试台架测试。

五、结语

新能源汽车对作为新能源汽车驱动系统的主要部件电机提出越来越高的要求，永磁体同步电机以其自身的优势在新能源中所占比重越来越大。作为汽车混合动力系统所必须的部件，其设计也越来越重要，传统设计方法不能够满足此类电机设计的需要。设计过程必须把电磁仿真、温度场仿真和结构仿真结合起来。对一台单轴并联式ISG电机进行了设计探讨，并对电磁性能、结构设计、不同工况电机散热情况、电机不同结构部件的结构强度和模态进行了分析。

参考文献

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[3]  马艳霞，邓春锋，张鹏电机联轴控制的旋转机械定转子模态分析【J】实 验研究，20lO，0l（2）：107—109