8米純電動(dòng)公交車驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張秋霞

摘要：針對(duì)8米純電動(dòng)公交車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱電機(jī)）進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)，主要從電機(jī)體積、重量、散熱性、節(jié)約成本等方面進(jìn)行了說(shuō)明和論述。通過(guò)分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的電機(jī)更能滿足車輛使用要求，高效工作區(qū)范圍廣，更加輕量化，經(jīng)濟(jì)性更好。

關(guān)鍵詞：8米純電動(dòng)公交車 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 結(jié)構(gòu) 輕量化

0 前言

新能源純電動(dòng)汽車行業(yè)近幾年來(lái)發(fā)展迅速，尤其純電動(dòng)公交車的市場(chǎng)需求不斷增大。電動(dòng)汽車以其噪聲小、零排放等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代交通工具和清潔汽車技術(shù)的最佳解決方案，純電動(dòng)公交車驅(qū)動(dòng)電機(jī)為整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件[1]。目前，純電動(dòng)公交車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要為稀土永磁同步電機(jī)，對(duì)電機(jī)的要求，正向著輕量化、高效、經(jīng)濟(jì)性好的方向發(fā)展。公交車為了乘客上下方便，更傾向于一級(jí)踏步設(shè)計(jì)，要求電機(jī)外徑越小越好。

本文針對(duì)8米純電動(dòng)公交車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、成本低等要求，更能適應(yīng)新能源公交車的需求。

1 電機(jī)的參數(shù)要求

8米純電動(dòng)公交車驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求如表1所示。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化概述

目前此款8米純電動(dòng)公交車所用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為定子外徑Ф365mm的永磁同步電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱365電機(jī)），其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。經(jīng)過(guò)電磁性能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)，將365電機(jī)改進(jìn)為結(jié)構(gòu)更加緊湊的定子外徑為Ф325mm的永磁同步電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱325電機(jī)），其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

改進(jìn)前后的電機(jī)結(jié)構(gòu)主要對(duì)比點(diǎn)見(jiàn)表2.

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化特點(diǎn)

此次電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要特點(diǎn)為減小電機(jī)外徑、輕量化、易加工、節(jié)約成本、節(jié)約安裝空間等特點(diǎn)，下面針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 ?帶軸套的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

在電機(jī)軸上安裝軸套，用軸套支撐轉(zhuǎn)子鐵心，軸套為空心結(jié)構(gòu)，能有效減重，并節(jié)約硅鋼片材料。若無(wú)軸套，轉(zhuǎn)子鐵心直接安裝在軸上，轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑為Ф75mm，使用軸套后，轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑為Ф148mm，單片轉(zhuǎn)子沖片節(jié)約材料面積12779mm2，進(jìn)而有效節(jié)約成本。同時(shí)，此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可有效減輕轉(zhuǎn)子整體重量，365電機(jī)轉(zhuǎn)子整體重量為63kg，改進(jìn)后的325電機(jī)轉(zhuǎn)子重量為46kg，減重17kg。

對(duì)改動(dòng)后的電機(jī)軸系進(jìn)行了校核，此電機(jī)軸與軸套采用20CrMnTi材料（屈服強(qiáng)度835Mpa），如圖3所示，為電機(jī)運(yùn)行最大扭矩狀態(tài)（1600nm，955rpm）校核結(jié)果，如圖4所示，為電機(jī)運(yùn)行最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)（510nm，3000rpm）校核結(jié)果，仿真結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)在電機(jī)運(yùn)行最大扭矩狀態(tài)時(shí)所受力最大，此時(shí)安全系數(shù)為2.3，可滿足使用要求。

2.2 ?拉伸機(jī)殼

電動(dòng)公交車電機(jī)機(jī)殼，目前大部分采用鑄造鋁合金機(jī)殼，水道為螺旋水道。鑄造的加工方法成本較高，需要使用鑄造模具，而且，同一款電機(jī)，在不改變定子外徑的前提下，如需改變功率，需改變定子長(zhǎng)度，改變機(jī)殼長(zhǎng)度，鑄造機(jī)殼即需要重新設(shè)計(jì)模具，造成成本浪費(fèi)。

此次改進(jìn)后的325電機(jī)，采用拉伸擠出機(jī)殼，冷卻水道為折返型，此機(jī)殼可任意選取長(zhǎng)度，無(wú)需重復(fù)設(shè)計(jì)模具，節(jié)約成本，且較相同尺寸鑄造機(jī)殼重量輕。

圖5為對(duì)此拉伸機(jī)殼的三維模型（水道未封堵示意圖），365電機(jī)機(jī)殼重量25Kg，325電機(jī)機(jī)殼重量16kg，減重9kg，機(jī)殼外徑較365電機(jī)減小45mm，更能節(jié)省安裝空間，滿足公交車一級(jí)踏步登車要求。

2.3 ?前置出線盒結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的325電機(jī)出線盒在前端，與軸伸共用軸向空間，能有效減小電機(jī)長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時(shí)，此接線盒的設(shè)計(jì)可滿足電機(jī)三相動(dòng)力線纜軸向、徑向兩個(gè)方向出線的要求，對(duì)不同的使用環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)，節(jié)約成本，無(wú)需重復(fù)設(shè)計(jì)接線盒。此外，對(duì)軸向出線的線纜，設(shè)計(jì)了卡箍結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定和保護(hù)，避免在使用過(guò)程中電纜根部發(fā)生損壞等現(xiàn)象。

2.4 ?聯(lián)軸器與軸采用脹套連接

此電機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，還將365電機(jī)前端聯(lián)軸器與軸的花鍵連接方式改為脹套連接，此連接方式的優(yōu)點(diǎn)為，電機(jī)軸與聯(lián)軸器均不需要加工花鍵結(jié)構(gòu)，加工難度大大降低，加工精度更容易保證。脹套為國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)件，可節(jié)約成本，縮短生產(chǎn)周期，安裝方便且使用可靠。

除以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，減小了定子外徑，有效減小定子重量，365電機(jī)定子重量76kg，325電機(jī)定子重量63kg，有效減重13kg。

此電機(jī)前后端蓋與機(jī)殼之間采用止口過(guò)度配合，安裝時(shí)涂密封膠密封。接線盒蓋與接線盒、旋變室蓋板與后端蓋之間采用O型密封圈密封，三相電機(jī)動(dòng)力出線線纜采用電纜專用防水屏蔽接頭密封與屏蔽，電機(jī)整體結(jié)構(gòu)達(dá)到IP67要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果

將改進(jìn)的325電機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，電機(jī)絕緣等級(jí)為H級(jí)，繞組溫升按H級(jí)考核，電阻法允許溫升125℃，測(cè)得額定點(diǎn)溫升48℃，峰值點(diǎn)溫升94℃，額定點(diǎn)和峰值點(diǎn)溫升有較大的余量。滾動(dòng)軸承允許溫升為55℃，測(cè)得軸伸端軸承溫升47℃，非軸伸端軸承溫升46℃，也有較大余量。此結(jié)果說(shuō)明所用機(jī)殼水冷散熱水道方案是可行的。

測(cè)得電機(jī)噪聲聲壓級(jí)78dB，標(biāo)準(zhǔn)要求小于100db，高于標(biāo)準(zhǔn)，符合要求。

改進(jìn)后的電機(jī)重量151Kg，較結(jié)構(gòu)改進(jìn)之前整體減重22%，結(jié)構(gòu)尺寸及重量在需求范圍內(nèi)，且結(jié)構(gòu)更加緊湊。通過(guò)優(yōu)化，成本節(jié)約16%。

325電機(jī)效率Map圖如圖6所示，可見(jiàn)，其高效工作區(qū)范圍廣，此電機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案是可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)8米純電動(dòng)公交車驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，從各結(jié)構(gòu)優(yōu)化特點(diǎn)及內(nèi)容、仿真驗(yàn)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面進(jìn)行驗(yàn)證，證明該電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可使同性能電機(jī)達(dá)到體積小、重量輕、噪音低、高效工作區(qū)廣、節(jié)約成本等目的，可更好地滿足8米純電動(dòng)公交車的驅(qū)動(dòng)需求，為公交車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的開(kāi)發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

5.參考文獻(xiàn)

[1] 趙立峰，李云清.純電動(dòng)大客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的研究[J].汽車工程，2013128.