增程式电动汽车高效紧凑型外转子永磁同步发电机设计

王升平 吴柏禧 景玉军 郭美华

摘 要：增程式电动汽车的发展主要依赖于增程器技术，发电机是增程器的核心部件。开发设计高效紧凑型外转子永磁同步发电机更符合未来增程式电动汽车的发展趋势，文中对外转子发电机的整体结构、主要参数、关键零件进行了优化设计和验证，根据设计参数制作了样机进行试验，基本满足发电机的技术要求。

关键词：电动汽车;增程器;外转子;永磁同步发电机

1 引言

增程式电动汽车在动力电池电量不足及无需停车的情况下，增程器系统根据工况需要做出功率分配，一方面可以通过驱动力控制系统直接驱动电动机运转保障汽车正常行驶，另一方面还能给电池充电增加电动汽车的续航里程。同时，电动汽车增程器不会在电池亏电状态下工作，这可大大延长电池的使用寿命。增程式电动汽车消除了纯电动汽车电池容量不足行驶里程短的缺陷，经过近十年的发展，已被人们普遍认可，并被认为是未来电动汽车发展的重要方向。能否开发出油耗低、排放好、性能优越的增程式电动汽车主要依赖于增程器技术。增程器作为该车型的核心部件，对其有效开发将直接决定增程式电动汽车技术产业的发展前景。发电机作为增程器系统中重要的能量转换设备，是急需需解决和完善的关键技术之一，因此研究和开发用于增程器的紧凑型、高效型发电机迫在眉睫、刻不容缓。外转子永磁同步发电机，由于具有体积小、重量轻、转动惯量大、效率高、散热好等优点更符合发电机紧凑高效的要求，是未来增程器用发电机的发展趋势[1]。本文将涉及研发具有自主知识产权，适用于增程式电动公交车、轻型商务车的新型外转子永磁同步发电机技术。

2 发电机的整体结构及主要参数设计

2.1 外转子发电机结构特征及主要性能优势

本文设计的新型外转子永磁同步发电机，工作原理虽然与传统的内转子发电机相同，都是转子旋转产生旋转磁场使定子绕组切割磁力线产生感生电流，但结构不相同。外转子发电机的特点是定子固定在靠轴中间位置不动，转子在定子的外围旋转，属径向气隙磁通结构，与内转子结构相比是转子与定子换了个位置，即转子在外、定子在内，反之常见的内转子发电机则是定子在外、转子在内。外转子永磁同步发电机主要由端盖、机座、外转子支撑、定子铁芯、内机壳、转子磁轭、永磁体磁极和中间转轴等零件组成，其整机三维结构示意图如图1。与驱动电机复杂的运行工况相比，外转子发电机主要是在额定点状态下工作来为电池充电，具有转动惯量、气隙直径和电磁转矩都较大的性能，并具有发电机多极数设计易于实现、结构紧凑质量轻、散热容易、绕组工艺比内转子电机简单等诸多性能优势。

2.2 外转子永磁同步发电机主要参数设计

根据车型匹配要求，发电机的额定功率设定为65 kW，额定转速3080r/min，工作转速范围1000-3080r/min。结合该电机工作特征，初步算出定子、转子的直径，再参照同规格发电机的设计经验，确定定子铁芯外径244.4mm，内径164mm;转子的外径278mm，内径246mm;铁芯长度均为90mm。针对发电机的电磁方案设计，电机的极数与电机的电磁转矩成正比，电机极数越多越能获得大的转矩[2]，为了保证正弦性的气隙磁密波形和小的转矩波动，使转子稳定运行，磁场结构设计成磁极32极，定子24槽的多极结构，如图2所示。永磁體厚度、宽度、绕组匝数、定子齿宽等参数的设计，对发电机性能影响很大，除了经验设计外，还应多方案计算择优选择。根据图2中标注的尺寸设计定子齿宽、永磁体宽度、永磁体厚度时，用有限元计算得到方案的齿槽转矩4.35 N·m。发电机的主要参数如表1。

3 发电机关键结构设计优化及零件强度校核

发电机的磁场参数确定后，对发电机的部分关键结构进行设计及强度验证，其中分析计算主要使用有限元法。

3.1 转轴设计及强度校核

转轴设计采用中部镂空结构，尽量去除轴内多余材料，实现减轻电机重量目的。选用 42CrMo为轴的材料，材料密度为7850 kg·m-3，弹性模量1.6e11Pa，泊松比0.24，材料经过调质处理。轴的应力分布云图通过静力学计算获得，如图3（a），花键根部处应力最大，将是破坏最严重的部位，最大von-Mises 应力为98.9 Mpa，小于材料的屈服强度。发电机轴在工作时承受周期载荷，需对轴进行疲劳分析，施加的载荷设为正弦周期性，计算得到轴的安全系数为1.8以上，如图3（b），寿命最短的地方仍为花键的根部。

3.2 铆钉设计与强度校核

设计12颗高强度铆钉连接发电机转子支撑与转轴，如图4（a）所示。传递转矩时，铆钉主要受剪切应力。按轴载荷的边界条件同样施加极限载荷，铆钉材料属性按密度7850 kg·m-3，弹性模量2e11Pa，泊松比0.3设置，其应力分布如图4（b），可看出铆钉上支撑与转轴的交接处应力最大（见b图红色区域），最大von-Mises应力为39.39 Mpa，比材料极限屈服应力低，因而铆钉屈服、断裂现象不会出现。

3.3 定子绕组集成设计

为了便于实现自动化和批量生产，定子铁芯齿部设计为平行直齿，并设计集成绕组，在绝缘骨架上先缠绕铜线，再将绕组与骨架整体一同插入定子铁芯的直齿上，如图5所示，极大地降低了复杂的绕线工艺难度。

3.4 内置水冷散热系统设计

增程式电动汽车外转子永磁同步发电机实现高功率密度功能目标的关键技术之一，就是高效冷却系统的设计，因此实施对发电机温升的控制成为了该电机设计的关键技术。设计时，为了减小热阻，通过过盈配合将定子铁芯与内机壳表面装配一起，位于基坐体后端盖处的冷却水出入口与机壳内的冷却水道连接，因而内置的冷却系统能够有效的将发电机内部的热量带走，使电机处于低温升的工作状态[3]。

4 结语

高效紧凑型外转子永磁同步发电机的设计涉及电机电磁设计、电机轻量化设计、高功率密度设计、“内置水冷”冷却系统设计及发电机温度场仿真研究、NVH性能研究等多项技术难题，本文只是研究工作中的极小部分内容的呈现，各种有限元仿真设计、试验样机的试制和验证都取得预期成果，可基本实现发电机的技术要求，后续更多技术难点将会继续开展深入研究和完善。

基金项目：广东省普通高校科研平台项目“新能源汽车增程器外转子永磁同步电机关键技术研究”（2018GKTSCX024）。

参考文献：

[1] 郭美华，王升平.增程式电动汽车发电机技术研究概述[J]. 时代汽车，2019，8（316）：33-34.

[2] 谢培利，席荣盛，崔友. 新能源汽车增程器用外转子永磁同步发电机设计[J]. 装备制造技术，2017，11：85-88.

[3] 王升平，郭美华，何佳兵. 增程式电动汽车新型外转子发电机水道设计[J]. 汽车零部件，2019，12：42-45.