增程式電動汽車高效緊湊型外轉子永磁同步發電機設計

王升平 吳柏禧 景玉軍 郭美華

摘 要：增程式電動汽車的發展主要依賴于增程器技術，發電機是增程器的核心部件。開發設計高效緊湊型外轉子永磁同步發電機更符合未來增程式電動汽車的發展趨勢，文中對外轉子發電機的整體結構、主要參數、關鍵零件進行了優化設計和驗證，根據設計參數制作了樣機進行試驗，基本滿足發電機的技術要求。

關鍵詞：電動汽車;增程器;外轉子;永磁同步發電機

1 引言

增程式電動汽車在動力電池電量不足及無需停車的情況下，增程器系統根據工況需要做出功率分配，一方面可以通過驅動力控制系統直接驅動電動機運轉保障汽車正常行駛，另一方面還能給電池充電增加電動汽車的續航里程。同時，電動汽車增程器不會在電池虧電狀態下工作，這可大大延長電池的使用壽命。增程式電動汽車消除了純電動汽車電池容量不足行駛里程短的缺陷，經過近十年的發展，已被人們普遍認可，并被認為是未來電動汽車發展的重要方向。能否開發出油耗低、排放好、性能優越的增程式電動汽車主要依賴于增程器技術。增程器作為該車型的核心部件，對其有效開發將直接決定增程式電動汽車技術產業的發展前景。發電機作為增程器系統中重要的能量轉換設備，是急需需解決和完善的關鍵技術之一，因此研究和開發用于增程器的緊湊型、高效型發電機迫在眉睫、刻不容緩。外轉子永磁同步發電機，由于具有體積小、重量輕、轉動慣量大、效率高、散熱好等優點更符合發電機緊湊高效的要求，是未來增程器用發電機的發展趨勢[1]。本文將涉及研發具有自主知識產權，適用于增程式電動公交車、輕型商務車的新型外轉子永磁同步發電機技術。

2 發電機的整體結構及主要參數設計

2.1 外轉子發電機結構特征及主要性能優勢

本文設計的新型外轉子永磁同步發電機，工作原理雖然與傳統的內轉子發電機相同，都是轉子旋轉產生旋轉磁場使定子繞組切割磁力線產生感生電流，但結構不相同。外轉子發電機的特點是定子固定在靠軸中間位置不動，轉子在定子的外圍旋轉，屬徑向氣隙磁通結構，與內轉子結構相比是轉子與定子換了個位置，即轉子在外、定子在內，反之常見的內轉子發電機則是定子在外、轉子在內。外轉子永磁同步發電機主要由端蓋、機座、外轉子支撐、定子鐵芯、內機殼、轉子磁軛、永磁體磁極和中間轉軸等零件組成，其整機三維結構示意圖如圖1。與驅動電機復雜的運行工況相比，外轉子發電機主要是在額定點狀態下工作來為電池充電，具有轉動慣量、氣隙直徑和電磁轉矩都較大的性能，并具有發電機多極數設計易于實現、結構緊湊質量輕、散熱容易、繞組工藝比內轉子電機簡單等諸多性能優勢。

2.2 外轉子永磁同步發電機主要參數設計

根據車型匹配要求，發電機的額定功率設定為65 kW，額定轉速3080r/min，工作轉速范圍1000-3080r/min。結合該電機工作特征，初步算出定子、轉子的直徑，再參照同規格發電機的設計經驗，確定定子鐵芯外徑244.4mm，內徑164mm;轉子的外徑278mm，內徑246mm;鐵芯長度均為90mm。針對發電機的電磁方案設計，電機的極數與電機的電磁轉矩成正比，電機極數越多越能獲得大的轉矩[2]，為了保證正弦性的氣隙磁密波形和小的轉矩波動，使轉子穩定運行，磁場結構設計成磁極32極，定子24槽的多極結構，如圖2所示。永磁體厚度、寬度、繞組匝數、定子齒寬等參數的設計，對發電機性能影響很大，除了經驗設計外，還應多方案計算擇優選擇。根據圖2中標注的尺寸設計定子齒寬、永磁體寬度、永磁體厚度時，用有限元計算得到方案的齒槽轉矩4.35 N·m。發電機的主要參數如表1。

3 發電機關鍵結構設計優化及零件強度校核

發電機的磁場參數確定后，對發電機的部分關鍵結構進行設計及強度驗證，其中分析計算主要使用有限元法。

3.1 轉軸設計及強度校核

轉軸設計采用中部鏤空結構，盡量去除軸內多余材料，實現減輕電機重量目的。選用 42CrMo為軸的材料，材料密度為7850 kg·m-3，彈性模量1.6e11Pa，泊松比0.24，材料經過調質處理。軸的應力分布云圖通過靜力學計算獲得，如圖3（a），花鍵根部處應力最大，將是破壞最嚴重的部位，最大von-Mises 應力為98.9 Mpa，小于材料的屈服強度。發電機軸在工作時承受周期載荷，需對軸進行疲勞分析，施加的載荷設為正弦周期性，計算得到軸的安全系數為1.8以上，如圖3（b），壽命最短的地方仍為花鍵的根部。

3.2 鉚釘設計與強度校核

設計12顆高強度鉚釘連接發電機轉子支撐與轉軸，如圖4（a）所示。傳遞轉矩時，鉚釘主要受剪切應力。按軸載荷的邊界條件同樣施加極限載荷，鉚釘材料屬性按密度7850 kg·m-3，彈性模量2e11Pa，泊松比0.3設置，其應力分布如圖4（b），可看出鉚釘上支撐與轉軸的交接處應力最大（見b圖紅色區域），最大von-Mises應力為39.39 Mpa，比材料極限屈服應力低，因而鉚釘屈服、斷裂現象不會出現。

3.3 定子繞組集成設計

為了便于實現自動化和批量生產，定子鐵芯齒部設計為平行直齒，并設計集成繞組，在絕緣骨架上先纏繞銅線，再將繞組與骨架整體一同插入定子鐵芯的直齒上，如圖5所示，極大地降低了復雜的繞線工藝難度。

3.4 內置水冷散熱系統設計

增程式電動汽車外轉子永磁同步發電機實現高功率密度功能目標的關鍵技術之一，就是高效冷卻系統的設計，因此實施對發電機溫升的控制成為了該電機設計的關鍵技術。設計時，為了減小熱阻，通過過盈配合將定子鐵芯與內機殼表面裝配一起，位于基坐體后端蓋處的冷卻水出入口與機殼內的冷卻水道連接，因而內置的冷卻系統能夠有效的將發電機內部的熱量帶走，使電機處于低溫升的工作狀態[3]。

4 結語

高效緊湊型外轉子永磁同步發電機的設計涉及電機電磁設計、電機輕量化設計、高功率密度設計、“內置水冷”冷卻系統設計及發電機溫度場仿真研究、NVH性能研究等多項技術難題，本文只是研究工作中的極小部分內容的呈現，各種有限元仿真設計、試驗樣機的試制和驗證都取得預期成果，可基本實現發電機的技術要求，后續更多技術難點將會繼續開展深入研究和完善。

基金項目：廣東省普通高?？蒲衅脚_項目“新能源汽車增程器外轉子永磁同步電機關鍵技術研究”（2018GKTSCX024）。

參考文獻：

[1] 郭美華，王升平.增程式電動汽車發電機技術研究概述[J]. 時代汽車，2019，8（316）：33-34.

[2] 謝培利，席榮盛，崔友. 新能源汽車增程器用外轉子永磁同步發電機設計[J]. 裝備制造技術，2017，11：85-88.

[3] 王升平，郭美華，何佳兵. 增程式電動汽車新型外轉子發電機水道設計[J]. 汽車零部件，2019，12：42-45.