一种集成减速器的非晶轮毂电机结构设计研究

刘小军，毛勇，李红娟

（湘潭电机集团有限公司，湖南 湘潭 411101）

0 引言

新能源电动汽车代替传统燃油汽车已成为世界汽车工业发展的必然趋势。纯电动汽车以其高效、无污染、低噪音等优势尤其得到消费者的青睐，得已迅速发展。轮毂驱动电机[1-2]具有较高的比功率和效率，而且体积小，质量轻，通过减速结构的增距后，输出转矩大，爬坡性能好，保证汽车在运行时获得较大的平稳转矩，非晶电机在效率和功率密度等方面比传统硅钢电机具有明显的优势，尤其是在高速、高频领域，是电动汽车发展的一个重要方向。但轮毂电机放置在狭小的车轮内，经常大负荷的运行过程中产生的热量难以扩散，导致电机过热停机或烧毁。另外，配套独立的减速器连接占用空间大，连接不可靠会使减速机构齿轮磨损较快，寿命变短。针对以上出现的技术问题，设计了一种可靠高效冷却、集成减速器的非晶轮毂电机结构[3]。

1 总体电机结构设计

电机主要包括：定子组件、转子组件、箱体、减速器总成四部分部件，见图1。电机定子组件由壳体与定子铁芯组件组成，定子组件底面与壳体端面冷却水道贴合，定子铁芯组件与壳体径向间隙采用可导热的灌封胶进行灌封固定，确保电机高效冷却。电机转子组件由转轴、轴承及转子片组件及轴承等组成，箱体作为连接定子组件、转子组件及减速器总成的支撑部件，并防止润滑油进入电机腔内，箱体两端均采用止口定位以保证同轴。减速器机构总成由行星减速机构、减速器壳及驱动轮用轮毂轴承组成，并设置通气塞及磁性放油螺塞，以保证减速机构可靠润滑。另外，在电机后端设置旋转变压器，用于电机速度反馈。

1.1 电机定子组件设计

电机定子铁芯选用Fe基非晶合金2601SA1，非晶合金作为一种新型软磁材料，具有优异的电磁性能，极低的磁芯损耗（60Hz时小于0.29W/kg，50Hz时磁芯损耗约为60Hz值的80%），高的饱和磁感应强度Bs(1.56～1.80T)、高的居里温度（399℃）、低电阻率（130μΩ·cm），因此较其他非晶软磁材料而言更适合应用于电机铁芯。考虑非晶合金的薄、脆、硬的物理特性及工艺性，采用现有成熟的铁芯制造工艺，选用轴向磁通结构[4]。

电机壳体设计需具有良好的散热性能和机械性能，才能保证电机的运行可靠性，重量轻、散热效果好的铝合金材料是首选。针对本电机较高的电磁负荷、高的功率密度，电机的散热问题尤为重要。壳体外部径向设有散热筋，增大散热面积，壳体内部设计冷却水道散热[5]。散热效果是水路带走热量能力的体现，主要由水路的传热系数和水路的面积决定，水冷散热效果的好坏关键体现在水路设计是否合理，水路设计不仅要实现有效散热，还要考虑水冷系统的负荷。电机水冷结构设计的核心任务是电机散热计算，使得电机损耗生热与冷却介质带走的热量达到平衡，从而控制电机温升再允许范围内。此外，冷却介质流速是散热能力重要影响因素之一，冷却介质的流速与压头及流经管道阻力有关，压头由水循环系统的泵产生，流经管道阻力取决于冷却结构的具体形式。选择进水口温度，出水口温度，水槽截面尺寸，利用传热学对流换热原理，设计了电机的冷却系统。

定子铁芯组件底面与壳体端面冷却水道贴合，定子铁芯组件与壳体径向间隙采用可导热的灌封胶进行灌封固定，确保电机通过端面冷却水及径向散热筋高效冷却，以满足电机散热要求，具体结构见图2。

1.2 电机转子组件

转子组件由转轴、轴承及转子片组件、压板、轴承及轴承盖组成，转子片组件由转子片、磁钢及护板组成，磁钢为轴向磁通磁场，嵌入转子片槽采用环氧树脂固定。转子片组件与转轴过渡配合定位，并采用螺栓及压板与转轴紧固，动力通过螺栓输出，具体结构见图3。

转子片的结构设计，转子片隔磁桥作为转子结构最容易断裂的部分，主要承受离心力、电磁力的作用，产生应力的主要部分是磁钢以及磁钢外侧的部分。利用有限元分析软件对转子片进行仿真分析计算，基于SolidWorks建立了其三维模型，并利用SolidWorks中的Simulation模块对转子片进行了有限元分析。新建一个静态算例之后进行有限元网格的划分。（1）施加约束：转子片与转轴采用螺栓固定，动力通过螺栓输出，因此对螺栓孔施加固定约束；（2）载荷的施加：转子片分别施加扭矩、离心力及磁钢离心力；（3）转子片赋以材料：材料为304不锈钢，屈服强度为205Mpa，抗剪许用应力约为123Mpa。转子片应力仿真见图4。

有限元仿真结果表明：转速为3600rpm时，转子片上的最大应力出现在磁钢槽的圆角处，约为47Mpa，比转子片材料的抗拉强度及抗剪强度小很多，满足使用要求。

轴承的选择，轮毂电机采用扁平结构，转子轴向尺寸小，考虑转子和定子之间的强磁力在保持这两个部件之间的高公差均匀气隙，以及与减速器太阳轮连接要求径向载荷，轴承承受径向和轴向联合载荷，选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，根据轴承所占机械的空间和位置确定轴的尺寸，选用双列角接触球轴承(C3游隙），使转子的轴向跳动在合理的范围。为保证电机旋转变压器的定位，电机尾端选用单列深沟球轴承(C3游隙)。考虑电动汽车特殊的工况，电机轴承均采用自润滑的密封轴承。

1.3 减速器总成的设计

NGW型行星减速机构[6-7]与普通的定轴减速机构相比，具有承载能力大、体积小、重量轻、效率高等特点，尤其适合轮毂电机的减速机构。NGW行星齿轮减速器原理，见图5。行星减速器主要由太阳轮(Za)、行星轮(Zc)、行星架(H)及内齿圈(Zb)组成。太阳轮为双连齿轮，通过浮动齿套与电机轴相连作为输入轴，输出轴通过螺栓与行星架相连，内齿圈通过定位销及螺栓与箱体组固定在一起。

NGW行星减速器的装配条件为：（Za+Zb）/np=整数（np为行星齿轮个数）；Za+Zc=Zb-Zc；iH=1+Zb/Za。

然后根据NGW型常用行星齿轮，常用传动比下的齿数组合来选定太阳轮、行星轮及其齿圈的齿数。只有正确的配齿才能保证行星齿轮减速器中的行星轮均能够同时与太阳轮、齿圈正确啮合。

经计算校核确定结果：Za=27；Zb=69；Zc=21；m=3；iH=3.55。

行星架是行星传动装置的主要构件之一，行星架由输出轴与支架组件装配连接，它是机构中承受力矩最大的零件，行星架的结构对行星轮的载荷分配，对整个传动装置的承载能力、外形尺寸和制造成本都有很大的影响。因此对行星架进行结构强度和疲劳分析十分必要。基于SolidWorks软件建立其三维模型，并利用SolidWorks中的Simulation模块对行星架进行了有限元分析。新建一个静态算例之后进行有限元网格的划分，为兼顾有限元网格的精度和计算效率，网格密度设置为良好。（1）施加约束：由于该行星架是由支架组件与输出轴通过螺栓相连并与行星轴过盈配合组成，运动及动力通过螺栓孔和销轴孔输出，因此可对螺栓孔和销轴孔施加固定约束。（2）载荷的施加：行星架载荷以极限工况的最大载荷为依据进行设定，在传递扭矩时轴承孔内圆柱面仅有一半承受载荷，因此在施加载荷F之前需要将各轴承孔内壁分割成两个面，在SolidWorks通过将压力F施加到这6个半圆柱面而完成加载，除了传递扭矩而产生的基本外载荷，行星架自身的转动将产生惯性载荷，在定义行星架的转速后，离心力将自动施加到行星架上。（3）给支架组件、行星轴及输出轴赋以材料：支架组件与行星轴材料均为为40Cr调质处理，屈服强度为550Mpa，弯曲许用疲劳应力350Mpa；输出轴材料为20CrMnTi渗碳淬火，屈服强度850Mpa，剪切许用疲劳应力315Mpa，行星架应力仿真见图6。（4）分析结果由图可见：支架组件最大应力出现在行星轴与行星架的配合处，其值为125.4Mpa，其许用疲劳应力350Mpa，远大于其最大应力值。输出轴最大应力出现在输出轴法兰根部圆角处，其值为230Mpa，其扭转剪切许用疲劳应力315Mpa，远大于其最大扭转剪切应力值。紧固螺栓用于支架组件与输出轴连接，最大剪切应力其值为53.2Mpa，选用的紧固螺栓剪切许用疲劳应力120Mpa，远大于其最大剪切应力值[8-10]。

结果表明行星架总成设计满足强度要求，并考虑表面强化工艺的影响，进行行星架的疲劳寿命预估，行星架总成具有较好的疲劳强度。

轴承的选择，行星齿轮采用成套滚针轴承，以满足轴承在直径方向受到限制的结构设计要求，润滑采用齿轮溅油润滑。减速器输出采用密封的汽车轮毂轴承，以承受车轮的负荷。

1.4 箱体的设计

箱体作为定子组件、转子组件及减速器的支撑件，应具有良好的散热性能和机械性能，又要重量轻，还要满足润滑密封及外观要求。铝合金压铸件的密度比铸铁和铸钢小，而比强度则较高，因此在承受同样载荷条件下采用铝合金铸件，可以减轻结构的重量，且铝合金压铸件具有一些其他铸件无法比拟的优势，如美观、质量轻、耐腐蚀等优势。材料采用铝合金YL112，表面本色氧化、电解着色，但考虑铝合金与钢制件的差异。箱体轴承室与轴承配合，由于两种材料的热膨胀系数差异较大，轴承外圈与箱体轴承室有跑圈风险，所以轴承室内镶嵌HT200铸铁材料的衬套，衬套与轴承室的结合面设有限制轴向及圆周向窜动的卡槽。箱体之间及与壳体均采用止口配合定位，以保证同轴度。考虑减速机构的润滑要求，减速器腔体顶部设置通气塞，用以平衡腔体内外压力平衡，防止润滑油泄露；腔体底部设置磁性放油螺塞，既可有效吸附润滑油中的铁屑，又方便放油、换油。

1.5 定、转子气隙校核计算

定、转子气隙必须满足电机电磁设计要求，首先确定封闭环（气隙）的基本尺寸和极限偏差。在满足加工及装配合理情况下，确定尺寸链各组成环基本尺寸，再合理分配各组成环的公差，最后校核尺寸链封闭环公差是否满足要求，装配尺寸链见图7。

如图7（a）所示，要求组成环尺寸A0=1.4 （±0.21）mm，已知轴承 A7=23.8（-0.02～ -0.05）mm，假设其余组成环尺寸如下：A1=45（±0.03）mm，A2=44.7（±0.03）mm，A3=39.5（±0.1）mm，A4=5（＋0.05～0）mm，A5=3（0 ～ -0.05）mm，A6=17（0 ～ -0.05）mm。

尺寸链封闭环公差校核如下：

（1）画尺寸链图并分析组成环的增减性，见图7(b)。

（2）封闭环基本尺寸A0：等于所有增环的基本尺寸之和减去所有减环的基本尺寸之和。

（3）封闭环公差T0：等于所有组成环的基本公差之和。

假设的公差超差0.1mm，不能满足设计要求。为此对组成环的公差总和必须减小0.1mm，根据加工难易程度，对各组成环公差调整如下：T1=T2=0.04mm，T4=T5=0.03mm，T3公差减小工艺暂无法满足，T6公差减小工艺要求高不调整，T7为标准件公差不得调整。

（4）调整组成环的极限偏差：为避免确定的盲目性，可选取A1为协调环，其余组成环尺寸确定如下：A2=44.7（±0.02）mm，A3=39.5（±0.1）mm，A4=5（＋0.03～0）mm，A5=3（0～-0.03）mm，A6=17（0～-0.05）mm，A7=23.8（-0.02 ～ -0.05）mm。

协调环的极限偏差计算如下：

封闭环上偏差等于所有增环的上偏差之和减去有减环的下偏差之和，即。

封闭环下偏差等于所有增环的下偏差之和减去有减环的上偏差之和，即。

确定组成环尺寸A1=45（-0.04～-0.08）mm。

通过组成环公差及极限偏差的调整，最终确定各组成环的尺寸，满足定、转子轴向气隙的设计要求。

2 结语

非晶合金材料应用于电机定子铁心在提高电机效率、节约能源和原材料以及环境保护等方面均具有的显著优势，与传统电机相比，轮毂电机具有结构紧凑、集成度高、性能优异等优点，通过减速结构的增距后，输出转矩大，爬坡性能好，保证汽车在运行时获得较大的平稳转矩，将以上优点集成应用在电动汽车上是一种全新驱动方式的应用。设计依据电动汽车电机的要求，在合理地选择轮毂电动机的功率、转速与转矩，从电机整体设计入手，结合轮毂电机设计特点，研究了电机的驱动结构、冷却方式和材料特点，设计了一种集成减速器驱动的非晶轮毂电机，以满足汽车轮毂电机高功率密度、高转矩密度、重量轻的要求。