一種集成減速器的非晶輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

劉小軍，毛勇，李紅娟

（湘潭電機(jī)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411101）

0 引言

新能源電動(dòng)汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油汽車已成為世界汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。純電動(dòng)汽車以其高效、無污染、低噪音等優(yōu)勢(shì)尤其得到消費(fèi)者的青睞，得已迅速發(fā)展。輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)[1-2]具有較高的比功率和效率，而且體積小，質(zhì)量輕，通過減速結(jié)構(gòu)的增距后，輸出轉(zhuǎn)矩大，爬坡性能好，保證汽車在運(yùn)行時(shí)獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，非晶電機(jī)在效率和功率密度等方面比傳統(tǒng)硅鋼電機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是在高速、高頻領(lǐng)域，是電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)重要方向。但輪轂電機(jī)放置在狹小的車輪內(nèi)，經(jīng)常大負(fù)荷的運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量難以擴(kuò)散，導(dǎo)致電機(jī)過熱停機(jī)或燒毀。另外，配套獨(dú)立的減速器連接占用空間大，連接不可靠會(huì)使減速機(jī)構(gòu)齒輪磨損較快，壽命變短。針對(duì)以上出現(xiàn)的技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了一種可靠高效冷卻、集成減速器的非晶輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)[3]。

1 總體電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)主要包括：定子組件、轉(zhuǎn)子組件、箱體、減速器總成四部分部件，見圖1。電機(jī)定子組件由殼體與定子鐵芯組件組成，定子組件底面與殼體端面冷卻水道貼合，定子鐵芯組件與殼體徑向間隙采用可導(dǎo)熱的灌封膠進(jìn)行灌封固定，確保電機(jī)高效冷卻。電機(jī)轉(zhuǎn)子組件由轉(zhuǎn)軸、軸承及轉(zhuǎn)子片組件及軸承等組成，箱體作為連接定子組件、轉(zhuǎn)子組件及減速器總成的支撐部件，并防止?jié)櫥瓦M(jìn)入電機(jī)腔內(nèi)，箱體兩端均采用止口定位以保證同軸。減速器機(jī)構(gòu)總成由行星減速機(jī)構(gòu)、減速器殼及驅(qū)動(dòng)輪用輪轂軸承組成，并設(shè)置通氣塞及磁性放油螺塞，以保證減速機(jī)構(gòu)可靠潤滑。另外，在電機(jī)后端設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器，用于電機(jī)速度反饋。

1.1 電機(jī)定子組件設(shè)計(jì)

電機(jī)定子鐵芯選用Fe基非晶合金2601SA1，非晶合金作為一種新型軟磁材料，具有優(yōu)異的電磁性能，極低的磁芯損耗（60Hz時(shí)小于0.29W/kg，50Hz時(shí)磁芯損耗約為60Hz值的80%），高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs(1.56～1.80T)、高的居里溫度（399℃）、低電阻率（130μΩ·cm），因此較其他非晶軟磁材料而言更適合應(yīng)用于電機(jī)鐵芯?？紤]非晶合金的薄、脆、硬的物理特性及工藝性，采用現(xiàn)有成熟的鐵芯制造工藝，選用軸向磁通結(jié)構(gòu)[4]。

電機(jī)殼體設(shè)計(jì)需具有良好的散熱性能和機(jī)械性能，才能保證電機(jī)的運(yùn)行可靠性，重量輕、散熱效果好的鋁合金材料是首選。針對(duì)本電機(jī)較高的電磁負(fù)荷、高的功率密度，電機(jī)的散熱問題尤為重要。殼體外部徑向設(shè)有散熱筋，增大散熱面積，殼體內(nèi)部設(shè)計(jì)冷卻水道散熱[5]。散熱效果是水路帶走熱量能力的體現(xiàn)，主要由水路的傳熱系數(shù)和水路的面積決定，水冷散熱效果的好壞關(guān)鍵體現(xiàn)在水路設(shè)計(jì)是否合理，水路設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)有效散熱，還要考慮水冷系統(tǒng)的負(fù)荷。電機(jī)水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是電機(jī)散熱計(jì)算，使得電機(jī)損耗生熱與冷卻介質(zhì)帶走的熱量達(dá)到平衡，從而控制電機(jī)溫升再允許范圍內(nèi)。此外，冷卻介質(zhì)流速是散熱能力重要影響因素之一，冷卻介質(zhì)的流速與壓頭及流經(jīng)管道阻力有關(guān)，壓頭由水循環(huán)系統(tǒng)的泵產(chǎn)生，流經(jīng)管道阻力取決于冷卻結(jié)構(gòu)的具體形式。選擇進(jìn)水口溫度，出水口溫度，水槽截面尺寸，利用傳熱學(xué)對(duì)流換熱原理，設(shè)計(jì)了電機(jī)的冷卻系統(tǒng)。

定子鐵芯組件底面與殼體端面冷卻水道貼合，定子鐵芯組件與殼體徑向間隙采用可導(dǎo)熱的灌封膠進(jìn)行灌封固定，確保電機(jī)通過端面冷卻水及徑向散熱筋高效冷卻，以滿足電機(jī)散熱要求，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子組件

轉(zhuǎn)子組件由轉(zhuǎn)軸、軸承及轉(zhuǎn)子片組件、壓板、軸承及軸承蓋組成，轉(zhuǎn)子片組件由轉(zhuǎn)子片、磁鋼及護(hù)板組成，磁鋼為軸向磁通磁場(chǎng)，嵌入轉(zhuǎn)子片槽采用環(huán)氧樹脂固定。轉(zhuǎn)子片組件與轉(zhuǎn)軸過渡配合定位，并采用螺栓及壓板與轉(zhuǎn)軸緊固，動(dòng)力通過螺栓輸出，具體結(jié)構(gòu)見圖3。

轉(zhuǎn)子片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子片隔磁橋作為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最容易斷裂的部分，主要承受離心力、電磁力的作用，產(chǎn)生應(yīng)力的主要部分是磁鋼以及磁鋼外側(cè)的部分。利用有限元分析軟件對(duì)轉(zhuǎn)子片進(jìn)行仿真分析計(jì)算，基于SolidWorks建立了其三維模型，并利用SolidWorks中的Simulation模塊對(duì)轉(zhuǎn)子片進(jìn)行了有限元分析。新建一個(gè)靜態(tài)算例之后進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分。（1）施加約束：轉(zhuǎn)子片與轉(zhuǎn)軸采用螺栓固定，動(dòng)力通過螺栓輸出，因此對(duì)螺栓孔施加固定約束；（2）載荷的施加：轉(zhuǎn)子片分別施加扭矩、離心力及磁鋼離心力；（3）轉(zhuǎn)子片賦以材料：材料為304不銹鋼，屈服強(qiáng)度為205Mpa，抗剪許用應(yīng)力約為123Mpa。轉(zhuǎn)子片應(yīng)力仿真見圖4。

有限元仿真結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速為3600rpm時(shí)，轉(zhuǎn)子片上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在磁鋼槽的圓角處，約為47Mpa，比轉(zhuǎn)子片材料的抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度小很多，滿足使用要求。

軸承的選擇，輪轂電機(jī)采用扁平結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子軸向尺寸小，考慮轉(zhuǎn)子和定子之間的強(qiáng)磁力在保持這兩個(gè)部件之間的高公差均勻氣隙，以及與減速器太陽輪連接要求徑向載荷，軸承承受徑向和軸向聯(lián)合載荷，選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，根據(jù)軸承所占機(jī)械的空間和位置確定軸的尺寸，選用雙列角接觸球軸承(C3游隙），使轉(zhuǎn)子的軸向跳動(dòng)在合理的范圍。為保證電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器的定位，電機(jī)尾端選用單列深溝球軸承(C3游隙)?？紤]電動(dòng)汽車特殊的工況，電機(jī)軸承均采用自潤滑的密封軸承。

1.3 減速器總成的設(shè)計(jì)

NGW型行星減速機(jī)構(gòu)[6-7]與普通的定軸減速機(jī)構(gòu)相比，具有承載能力大、體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)，尤其適合輪轂電機(jī)的減速機(jī)構(gòu)。NGW行星齒輪減速器原理，見圖5。行星減速器主要由太陽輪(Za)、行星輪(Zc)、行星架(H)及內(nèi)齒圈(Zb)組成。太陽輪為雙連齒輪，通過浮動(dòng)齒套與電機(jī)軸相連作為輸入軸，輸出軸通過螺栓與行星架相連，內(nèi)齒圈通過定位銷及螺栓與箱體組固定在一起。

NGW行星減速器的裝配條件為：（Za+Zb）/np=整數(shù)（np為行星齒輪個(gè)數(shù)）；Za+Zc=Zb-Zc；iH=1+Zb/Za。

然后根據(jù)NGW型常用行星齒輪，常用傳動(dòng)比下的齒數(shù)組合來選定太陽輪、行星輪及其齒圈的齒數(shù)。只有正確的配齒才能保證行星齒輪減速器中的行星輪均能夠同時(shí)與太陽輪、齒圈正確嚙合。

經(jīng)計(jì)算校核確定結(jié)果：Za=27；Zb=69；Zc=21；m=3；iH=3.55。

行星架是行星傳動(dòng)裝置的主要構(gòu)件之一，行星架由輸出軸與支架組件裝配連接，它是機(jī)構(gòu)中承受力矩最大的零件，行星架的結(jié)構(gòu)對(duì)行星輪的載荷分配，對(duì)整個(gè)傳動(dòng)裝置的承載能力、外形尺寸和制造成本都有很大的影響。因此對(duì)行星架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞分析十分必要。基于SolidWorks軟件建立其三維模型，并利用SolidWorks中的Simulation模塊對(duì)行星架進(jìn)行了有限元分析。新建一個(gè)靜態(tài)算例之后進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，為兼顧有限元網(wǎng)格的精度和計(jì)算效率，網(wǎng)格密度設(shè)置為良好。（1）施加約束：由于該行星架是由支架組件與輸出軸通過螺栓相連并與行星軸過盈配合組成，運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力通過螺栓孔和銷軸孔輸出，因此可對(duì)螺栓孔和銷軸孔施加固定約束。（2）載荷的施加：行星架載荷以極限工況的最大載荷為依據(jù)進(jìn)行設(shè)定，在傳遞扭矩時(shí)軸承孔內(nèi)圓柱面僅有一半承受載荷，因此在施加載荷F之前需要將各軸承孔內(nèi)壁分割成兩個(gè)面，在SolidWorks通過將壓力F施加到這6個(gè)半圓柱面而完成加載，除了傳遞扭矩而產(chǎn)生的基本外載荷，行星架自身的轉(zhuǎn)動(dòng)將產(chǎn)生慣性載荷，在定義行星架的轉(zhuǎn)速后，離心力將自動(dòng)施加到行星架上。（3）給支架組件、行星軸及輸出軸賦以材料：支架組件與行星軸材料均為為40Cr調(diào)質(zhì)處理，屈服強(qiáng)度為550Mpa，彎曲許用疲勞應(yīng)力350Mpa；輸出軸材料為20CrMnTi滲碳淬火，屈服強(qiáng)度850Mpa，剪切許用疲勞應(yīng)力315Mpa，行星架應(yīng)力仿真見圖6。（4）分析結(jié)果由圖可見：支架組件最大應(yīng)力出現(xiàn)在行星軸與行星架的配合處，其值為125.4Mpa，其許用疲勞應(yīng)力350Mpa，遠(yuǎn)大于其最大應(yīng)力值。輸出軸最大應(yīng)力出現(xiàn)在輸出軸法蘭根部圓角處，其值為230Mpa，其扭轉(zhuǎn)剪切許用疲勞應(yīng)力315Mpa，遠(yuǎn)大于其最大扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力值。緊固螺栓用于支架組件與輸出軸連接，最大剪切應(yīng)力其值為53.2Mpa，選用的緊固螺栓剪切許用疲勞應(yīng)力120Mpa，遠(yuǎn)大于其最大剪切應(yīng)力值[8-10]。

結(jié)果表明行星架總成設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，并考慮表面強(qiáng)化工藝的影響，進(jìn)行行星架的疲勞壽命預(yù)估，行星架總成具有較好的疲勞強(qiáng)度。

軸承的選擇，行星齒輪采用成套滾針軸承，以滿足軸承在直徑方向受到限制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，潤滑采用齒輪濺油潤滑。減速器輸出采用密封的汽車輪轂軸承，以承受車輪的負(fù)荷。

1.4 箱體的設(shè)計(jì)

箱體作為定子組件、轉(zhuǎn)子組件及減速器的支撐件，應(yīng)具有良好的散熱性能和機(jī)械性能，又要重量輕，還要滿足潤滑密封及外觀要求。鋁合金壓鑄件的密度比鑄鐵和鑄鋼小，而比強(qiáng)度則較高，因此在承受同樣載荷條件下采用鋁合金鑄件，可以減輕結(jié)構(gòu)的重量，且鋁合金壓鑄件具有一些其他鑄件無法比擬的優(yōu)勢(shì)，如美觀、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)。材料采用鋁合金YL112，表面本色氧化、電解著色，但考慮鋁合金與鋼制件的差異。箱體軸承室與軸承配合，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)差異較大，軸承外圈與箱體軸承室有跑圈風(fēng)險(xiǎn)，所以軸承室內(nèi)鑲嵌HT200鑄鐵材料的襯套，襯套與軸承室的結(jié)合面設(shè)有限制軸向及圓周向竄動(dòng)的卡槽。箱體之間及與殼體均采用止口配合定位，以保證同軸度。考慮減速機(jī)構(gòu)的潤滑要求，減速器腔體頂部設(shè)置通氣塞，用以平衡腔體內(nèi)外壓力平衡，防止?jié)櫥托孤?；腔體底部設(shè)置磁性放油螺塞，既可有效吸附潤滑油中的鐵屑，又方便放油、換油。

1.5 定、轉(zhuǎn)子氣隙校核計(jì)算

定、轉(zhuǎn)子氣隙必須滿足電機(jī)電磁設(shè)計(jì)要求，首先確定封閉環(huán)（氣隙）的基本尺寸和極限偏差。在滿足加工及裝配合理情況下，確定尺寸鏈各組成環(huán)基本尺寸，再合理分配各組成環(huán)的公差，最后校核尺寸鏈封閉環(huán)公差是否滿足要求，裝配尺寸鏈見圖7。

如圖7（a）所示，要求組成環(huán)尺寸A0=1.4 （±0.21）mm，已知軸承 A7=23.8（-0.02～ -0.05）mm，假設(shè)其余組成環(huán)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。

尺寸鏈封閉環(huán)公差校核如下：

（1）畫尺寸鏈圖并分析組成環(huán)的增減性，見圖7(b)。

（2）封閉環(huán)基本尺寸A0：等于所有增環(huán)的基本尺寸之和減去所有減環(huán)的基本尺寸之和。

（3）封閉環(huán)公差T0：等于所有組成環(huán)的基本公差之和。

假設(shè)的公差超差0.1mm，不能滿足設(shè)計(jì)要求。為此對(duì)組成環(huán)的公差總和必須減小0.1mm，根據(jù)加工難易程度，對(duì)各組成環(huán)公差調(diào)整如下：T1=T2=0.04mm，T4=T5=0.03mm，T3公差減小工藝暫無法滿足，T6公差減小工藝要求高不調(diào)整，T7為標(biāo)準(zhǔn)件公差不得調(diào)整。

（4）調(diào)整組成環(huán)的極限偏差：為避免確定的盲目性，可選取A1為協(xié)調(diào)環(huán)，其余組成環(huán)尺寸確定如下：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。

協(xié)調(diào)環(huán)的極限偏差計(jì)算如下：

封閉環(huán)上偏差等于所有增環(huán)的上偏差之和減去有減環(huán)的下偏差之和，即。

封閉環(huán)下偏差等于所有增環(huán)的下偏差之和減去有減環(huán)的上偏差之和，即。

確定組成環(huán)尺寸A1=45（-0.04～-0.08）mm。

通過組成環(huán)公差及極限偏差的調(diào)整，最終確定各組成環(huán)的尺寸，滿足定、轉(zhuǎn)子軸向氣隙的設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)語

非晶合金材料應(yīng)用于電機(jī)定子鐵心在提高電機(jī)效率、節(jié)約能源和原材料以及環(huán)境保護(hù)等方面均具有的顯著優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，輪轂電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，通過減速結(jié)構(gòu)的增距后，輸出轉(zhuǎn)矩大，爬坡性能好，保證汽車在運(yùn)行時(shí)獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，將以上優(yōu)點(diǎn)集成應(yīng)用在電動(dòng)汽車上是一種全新驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用。設(shè)計(jì)依據(jù)電動(dòng)汽車電機(jī)的要求，在合理地選擇輪轂電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，從電機(jī)整體設(shè)計(jì)入手，結(jié)合輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，研究了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、冷卻方式和材料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種集成減速器驅(qū)動(dòng)的非晶輪轂電機(jī)，以滿足汽車輪轂電機(jī)高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、重量輕的要求。