客車用永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

徐天稷 張南 楊通

摘 要：為設(shè)計一款可滿足8.5米客車用行星排混動系統(tǒng)，且充分考慮可匹配國內(nèi)各主流客車企業(yè)相關(guān)車型，經(jīng)分析統(tǒng)計整車軸向布置空間限制問題尤為突出，因此，為控制行星排混動系統(tǒng)軸向長度，對電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計和仿真分析，同時，也為客車用永磁同步電機的輕量化、小型化設(shè)計積累了經(jīng)驗，具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機 軸向布置空間 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 計算校核 仿真分析

1 引言

混合動力系統(tǒng)較純電動動力系統(tǒng)具有動力性強、不受充電設(shè)備限制等優(yōu)勢，其中，行星排混合動力系統(tǒng)較串聯(lián)式、并聯(lián)式、同軸混聯(lián)式混動系統(tǒng)，在動力性、經(jīng)濟性、成本等方面更體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。但由于為雙電機+行星排變速箱結(jié)構(gòu)，軸向長度較長成為整車布置過程中的限制條件，相較于10.5米、12米客車，8.5米客車布置行星排混動系統(tǒng)時，軸向布置空間更是顯得十分緊張。因此，為滿足整車布置要求行星排混動系統(tǒng)需對電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

2 方案分析

行星排混合動力系統(tǒng)由驅(qū)動電機、發(fā)電機和行星排變速箱構(gòu)成，由于行星排混動系統(tǒng)對驅(qū)動電機與發(fā)電機扭矩需求較小，且電機轉(zhuǎn)軸僅與行星齒輪機構(gòu)相連接，不直接與發(fā)動機和后橋傳動軸相連接。綜上，電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)傳遞扭矩和承受軸向載荷均較小。

本文以行星排混動系統(tǒng)發(fā)電機結(jié)構(gòu)為例進行方案優(yōu)化分析，根據(jù)行星排混動系統(tǒng)需求，轉(zhuǎn)子套筒與轉(zhuǎn)軸之間的過盈配合需滿足傳遞扭矩250Nm的要求。原始方案結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

3 計算校核

參考《機械設(shè)計》中關(guān)于過盈連接的理論計算方法，設(shè)計轉(zhuǎn)子套筒與轉(zhuǎn)軸之間的最小過盈量為0.043mm，詳細原始方案相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示：

由于采用壓入法裝配時，配合表面的微觀峰尖將被擦去或壓平一部分，故考慮壓平量的最小有效過盈量為：

式中，Ra1、Ra2——包容件、被包容件表面粗糙度;

由于采用熱脹法裝配時，理想狀態(tài)下配合表面的微觀峰尖無擦去或壓平現(xiàn)象，故最小有效過盈量為：

接觸壓力：

式中，C1、C2——包容件、被包容件引用系數(shù);

E1、E2——包容件、被包容件彈性模量;

可傳遞最小扭矩：

安全系數(shù)：

若單純依靠過盈配合傳遞扭矩為250Nm時，由上述公式理論計算安全系數(shù)為1.7～3.9之間，由于在實際裝配中采用熱脹法無法達到理想配合狀態(tài)，所以原始方案存在一定的設(shè)計風(fēng)險。

4 優(yōu)化分析

通過上述公式可知，在金屬材料不變的前提下，影響安全系數(shù)的尺寸參數(shù)主要有過盈量、配合直徑、配合長度等三個因素。由于考慮到金屬材料性能與實際熱脹工藝水平，為保證產(chǎn)品可靠性和裝配效率，過盈量因素已無法優(yōu)化;為綜合考慮裝配零部件的工藝性、經(jīng)濟性及合理性，配合直徑的調(diào)整范圍也十分有限，無法達到預(yù)期優(yōu)化效果;因此，調(diào)整配合長度為該結(jié)構(gòu)的唯一有效手段，但又因受整車軸向布置空間限制，需在不改變行星排混動系統(tǒng)軸向尺寸的前提下，優(yōu)化配合長度，如圖2所示。

優(yōu)化方案在原始方案的基礎(chǔ)上取消限定轉(zhuǎn)子套筒軸向位置的卡簧，用軸承替代原始方案卡簧以限定轉(zhuǎn)子套筒軸向位置，此方案可在混動系統(tǒng)整體軸向尺寸不變的基礎(chǔ)上，一定程度上增加轉(zhuǎn)子套筒與轉(zhuǎn)軸之間的配合長度，可提升此處結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全系數(shù)，詳細優(yōu)化方案相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表2所示：

5 仿真分析

由于使用公式計算無法將實際運行過程中溫度場的影響考慮進去，而溫度對過盈配合傳遞扭和承受載荷能力又產(chǎn)生十分重要影響。因此，使用ANSYS軟件進行仿真分析，并設(shè)定溫度場在此結(jié)構(gòu)處的邊界條件。經(jīng)上述公式計算校核結(jié)果，壓入法安全系數(shù)較熱脹法低，為考慮極端惡劣情況，仿真分析時設(shè)定邊界條件為壓入法參數(shù)，即設(shè)置最小過盈量為0.02252mm（單邊尺寸）并對原始方案和優(yōu)化方案進行對比分析。原始方案仿真分析結(jié)果，如圖3所示。優(yōu)化方案仿真分析結(jié)果，如圖4所示。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，優(yōu)化方案安全系數(shù)2.1大于原始方案安全系數(shù)1.8。同時，對優(yōu)化方案轉(zhuǎn)子套筒承受軸向載荷能力進行仿真分析，仿真結(jié)果為承載力F=12179N，如圖5所示。為后期樣機試驗和整車驗證提供相關(guān)性能參數(shù)指標(biāo)，同時，也對行星排機構(gòu)的斜齒設(shè)計提供參考。

6 總結(jié)

根據(jù)計算校核和仿真分析結(jié)果可知，優(yōu)化方案可在保證不增加混動系統(tǒng)整體軸向尺寸的前提下，有效增加轉(zhuǎn)子套筒與轉(zhuǎn)子之間的配合長度，進而提高實際傳遞扭矩和承受軸向載荷的能力。此外，對于傳扭和承載要求不高的動力系統(tǒng)條件下，應(yīng)用此優(yōu)化結(jié)構(gòu)可提升動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性，為客車用永磁同步電機的輕量化、小型化設(shè)計積累了經(jīng)驗，具有一定的參考意義。

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