怠速停止系統(tǒng)用電動(dòng)機(jī)油泵的開發(fā)

【日】 井上昌弘

0 前言

近年來，出于節(jié)能環(huán)保的需求，排放法規(guī)呈逐年收緊的趨勢(shì)，各汽車制造商都在積極引進(jìn)能改善車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)。作為新技術(shù)研發(fā)的中心，混合動(dòng)力車被賦予極為重要的地位。然而，相比普通的汽油車，混合動(dòng)力車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。因此，作為能改善汽油車5%～10%燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)，在行駛過程中短暫停車時(shí)停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的怠速停止系統(tǒng)已進(jìn)入實(shí)用化階段，由于這一技術(shù)能顯著降低燃油耗，配裝該系統(tǒng)的車輛現(xiàn)已逐年增加。

在采用怠速停止系統(tǒng)的車輛上，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后變速器（包括無級(jí)變速器（CVT）和自動(dòng)變速器（AT））離合器接合所需的液壓，如圖1所示，必須配備在發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作的電動(dòng)機(jī)油泵（EOP）。怠速停止系統(tǒng)是成本較低的實(shí)用技術(shù)，但為了將其安裝在現(xiàn)有車輛空間內(nèi)，其安裝受限較為苛刻，必須開發(fā)出能夠設(shè)置在各種車型不同安裝空間內(nèi)的小型、高效率EOP。此外，輕量高效率的EOP也有利于降低汽車的燃油耗?；贘TEKT公司以往的產(chǎn)品銷售情況及市場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，研究人員設(shè)定了圖2所示技術(shù)開發(fā)目標(biāo)，著手開發(fā)小型高效的EOP產(chǎn)品。

1 開發(fā)成果

為了在現(xiàn)有汽油車的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在最低限度改造車輛的前提下配裝怠速停止系統(tǒng)，要求設(shè)計(jì)出小型、低成本的EOP。相比傳統(tǒng)的產(chǎn)品，新開發(fā)的怠速停止系統(tǒng)專用EOP通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及削減零件數(shù)量等技術(shù)措施（表1），獲得了顯著的效果，電動(dòng)機(jī)體積縮小約30%，效率提高約47%，成本降低約50%。下文將介紹應(yīng)用于新型EOP的技術(shù)實(shí)例。

2 開發(fā)過程

EOP是安裝在變速器周邊狹窄空間內(nèi)的，有尺寸上的限制，因此，為了能夠配裝于各種不同車型，必須將其設(shè)計(jì)得更為小型化。然而，如單純考慮小型化的設(shè)計(jì)要求，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)由電動(dòng)機(jī)本身的電流增加，進(jìn)而產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，這會(huì)縮短電子元件及繞組線的使用壽命。

因此，要在維持輸出功率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化，就必須抑制電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱現(xiàn)象。作為相應(yīng)對(duì)策，可采取抑制電流值，以及降低由電動(dòng)機(jī)內(nèi)部到外機(jī)的熱阻等方法，而前文所述技術(shù)措施都能對(duì)提高汽車的效率作出貢獻(xiàn)。因此，將這些技術(shù)作為主要的開發(fā)項(xiàng)目，著力開展研究，致力于開發(fā)出高效率化、小型化以及低成本的EOP產(chǎn)品。

表1 開發(fā)技術(shù)概要

2.1 過度功率輸出控制

圖3示出了EOP的輸出功率特性及其負(fù)荷特性曲線，圖中EOP的工作點(diǎn)位于功率輸出特性曲線與負(fù)荷特性曲線的交匯處。圖3中虛線為傳統(tǒng)EOP的特性曲線，按這一工作特性曲線所示，負(fù)荷下的機(jī)油泄漏量越少，液壓就越高，也就有可能產(chǎn)生超出必要性能范圍的多余液壓。

作為上述問題的對(duì)策，為新開發(fā)的EOP配備了過度功率控制裝置。在新開發(fā)的EOP控制回路中，基于轉(zhuǎn)速、電流及機(jī)油溫度推定吐出壓力，當(dāng)吐出壓力超過必要的性能范圍時(shí)，降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制多余液壓，從而實(shí)現(xiàn)最大降低47%耗電量的開發(fā)目標(biāo)。

2.2 電動(dòng)機(jī)的小型化

重新評(píng)價(jià)零部件的一體化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)，使電動(dòng)機(jī)盡可能小型化且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本次開發(fā)的結(jié)果是，電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量得以減輕，這有利于改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還有利于提高部件的可裝配性。

2.2.1 扁平型電動(dòng)機(jī)

為了縮小EOP的尺寸，開發(fā)了扁平型的電動(dòng)機(jī)。其理由是，由于電動(dòng)機(jī)的扭矩與鐵心長度成正比，與直徑的平方成正比，因此，如擴(kuò)大鐵心直徑，就能縮小單位輸出功率的電動(dòng)機(jī)體積，實(shí)現(xiàn)提高效率的開發(fā)目標(biāo)。

此外，通過采用空心的轉(zhuǎn)子，降低慣性，從而抑制起動(dòng)時(shí)的沖擊電流，并且可以在轉(zhuǎn)子內(nèi)部設(shè)置軸承。采用基于燒結(jié)工藝加工而成的轉(zhuǎn)子，無須機(jī)加工工序，可以降低成本，優(yōu)化性能與成本之間的平衡。開發(fā)的結(jié)果是，相比傳統(tǒng)產(chǎn)品，新電動(dòng)機(jī)的軸向長度縮短了32%（圖4、圖5）。

2.2.2 磁鐵固定裝置的應(yīng)用

傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用將環(huán)形磁鐵粘結(jié)固定在轉(zhuǎn)子上的結(jié)構(gòu)型式。另外，在對(duì)磁鐵進(jìn)行分區(qū)的過程中，在環(huán)形磁鐵基礎(chǔ)上安裝磁鐵的相位極為重要，所以，迄今為止所采用的粘結(jié)工藝，將難以確保新產(chǎn)品具備與傳統(tǒng)產(chǎn)品同等的品質(zhì)。因此，在本次開發(fā)中，著眼于電動(dòng)機(jī)的低扭矩，基于利用對(duì)轉(zhuǎn)子的吸引力固定磁鐵的構(gòu)想，在設(shè)計(jì)上取消粘結(jié)工序，并在轉(zhuǎn)子上設(shè)置樹脂固定框架，以保持扇形分區(qū)磁鐵之間的定位間隔（圖6）。

此時(shí)，最大的課題是由磁鐵與樹脂之間的熱膨脹系數(shù)差異所導(dǎo)致的熱應(yīng)力，為此，開發(fā)了將成形時(shí)殘余應(yīng)力及填料流動(dòng)等因素都考慮在內(nèi)的流動(dòng)解析方法，從而在設(shè)計(jì)階段就將熱應(yīng)力降至最低程度（圖7）。開發(fā)結(jié)果表明，由于完全取消粘結(jié)工序，降低了管理成本，并將傳統(tǒng)的環(huán)形磁鐵改為扇形分區(qū)的磁鐵后，使釹磁鐵的用量減少約30%。

2.2.3 采用樹脂定子架

傳統(tǒng)EOP的定子架采用鋁合金結(jié)構(gòu)（圖8）。本次開發(fā)中，為了縮小體積，降低成本，在零部件設(shè)計(jì)上應(yīng)用一體化結(jié)構(gòu)型式。

采用以下2項(xiàng)措施，設(shè)計(jì)了新型EOP的結(jié)構(gòu)（圖9）：（1）定子架采用樹脂材料；（2）減少零件數(shù)量。由于采用扁平型電動(dòng)機(jī)，提高了扭矩常數(shù)，降低了電流，因而，也降低了繞組線的銅損，抑制了電子部件的發(fā)熱現(xiàn)象，最終使樹脂制定子架的應(yīng)用成為可能。由此，也可以直接在定子架內(nèi)部進(jìn)行定子鐵心的模壓成形處理，從而取消鋁合金定子架的切削工序，以及定子鐵心的連接螺栓。

此外，由于電源部分的金屬配件也在定子上實(shí)施模內(nèi)處理，同時(shí)連接器與樹脂制定子架均采用一體化成形工藝，因此，在保持絕緣性的同時(shí)，減少了以防水為目的的金屬封油環(huán)，由此也減少了裝配工序。電動(dòng)機(jī)的支架改為與定子架相同的樹脂構(gòu)件，利用旋轉(zhuǎn)熔敷工藝實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)，從而減少了螺栓、O型密封圈，以及金屬封油環(huán)等零件的數(shù)量。并且，在此基礎(chǔ)上，重新評(píng)價(jià)泵葉片等零件的尺寸，最終采用前文所述扁平型電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。相比傳統(tǒng)EOP，新產(chǎn)品的體積縮小約30%。同時(shí)，由于直接減少了材料費(fèi)和零件數(shù)量，成本降低約50%。

3 結(jié)語

怠速停止系統(tǒng)能以較低的成本實(shí)現(xiàn)降低汽油車燃油耗的目標(biāo)，是今后值得重視的技術(shù)。本次開發(fā)的EOP在滿足用戶對(duì)產(chǎn)品性能要求的同時(shí)，相比傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品，體積縮小約30%，效率提高約47%，成本降低約50%，這樣的成果對(duì)于進(jìn)一步擴(kuò)大怠速停止系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將會(huì)作出極大貢獻(xiàn)。在本次開發(fā)成果的基礎(chǔ)上，今后應(yīng)繼續(xù)開展以下工作。

（1）進(jìn)一步擴(kuò)大怠速停止系統(tǒng)的應(yīng)用車型范圍。隨著配裝怠速停止系統(tǒng)車型范圍的擴(kuò)大，為確保變速器離合器接合的液壓，EOP的市場(chǎng)也在不斷擴(kuò)展。此次開發(fā)的EOP具備小型、低成本的特點(diǎn)，可作為怠速停止系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)裝備迅速推廣應(yīng)用。

（2）今后也應(yīng)將EOP推廣應(yīng)用于混合動(dòng)力車及電動(dòng)車。除了應(yīng)用于汽油車的怠速停止系統(tǒng)外，EOP還可用于混合動(dòng)力車及電動(dòng)車的電動(dòng)機(jī)、逆變器、減速器等部件的冷卻和潤滑系統(tǒng)。

（3）作為小型化與低成本化技術(shù)推廣應(yīng)用。在此次開發(fā)過程中所獲得的融合了電氣與機(jī)械的設(shè)計(jì)（機(jī)電一體化）技術(shù)、有利于降低成本的樹脂成形技術(shù)，以及有利于小型化和低成本化的機(jī)械部件控制轉(zhuǎn)換技術(shù)等，都有望在今后為日益發(fā)展的電動(dòng)液壓執(zhí)行器產(chǎn)品的研發(fā)作出貢獻(xiàn)。