新能源车用ISG电机气隙的研究

李 宁，王 瑛，强大壮，舒丹丹

(朝阳师范高等专科学校，辽宁朝阳122000)

【应用研究】

新能源车用ISG电机气隙的研究

李 宁，王 瑛，强大壮，舒丹丹

(朝阳师范高等专科学校，辽宁朝阳122000)

ISG电机现广泛应用于混合动力、增程式纯电动等新能源车辆中．因ISG电机安装复杂，因此对其结构、装配工艺都有较高要求，合理的气隙是决定电机性能的关键．通过分析新能源车用ISG电机在整车中的不同连接形式，探索了ISG气隙的设计原则．以某增程式纯电动ISG电机结构为例，通过计算其安装偏差，并结合仿真测试性能及实车测试，分析安装工艺对ISG电机性能的影响，为ISG电机关键部件的设计提供参考．

ISG；气隙；装配

0 引言

迫于环境污染和能源紧缺的双重压力，各大汽车制造商纷纷开展新能源汽车的研发工作．ISG(Integrated Starter Generator)电机广泛应用于混合动力、增程式纯电动等新能源汽车中，尽管使用ISG电机的方案对原车改动小，但因其多安装在发动机及变速箱间，故对其结构设计及装配提出了较苛刻的要求．本文主要探讨ISG电机气隙的选取，以及装配形式对气隙的影响．

1 ISG电机的装配形式

ISG电机可分为同轴布置和非同轴布置两种装配形式．目前，同轴布置为主流的装配方案，主要有三种类型：一是电机装在曲轴上的方案；二是电机置于变速器输入轴的方案；三是装在两个离合器之间的方案．非同轴布置的电机一般通过任意一种驱动装置连接．对于ISG电机来说，采用盘式转子的优点是转子孔的内腔可以用来安装主动的机器部件．在装有自动变速器的汽车上就可以利用这个内腔，这样可以更好地利用空间．除以上两种装配形式外，也有少数其他的方案，如将起动机发电机布置在辅助驱动装置中等．

此外，发动机和电机的装配方式也不尽相同．一种是将电机直接安装在内燃机曲轴输出端，并且ISG转子要与曲轴固定连接，取代飞轮及原有的起动机和发电机．最有名且最简单的一种装配形式是，在发动机前端用皮带传动机构将ISG电机和发动机联接起来，并把起动机同样连接在ISG电机的机构中，这样可以节省内部空间[1]．

2 基于气隙原则的ISG电机的装配分析

本文以最常用、最简单的装配形式，即用螺栓将电机转子直接固定在曲轴上，以代替传统飞轮为例，分析ISG电机装配对气隙的影响．由于空间有限，ISG大多采用扁平形结构，同时功率也不能太大，对电机的结构及装配后是否影响气隙提出了严格的要求．

2.1 ISG电机气隙的选取

电机在设计初期，应给出合理的气隙．理论上电机的气隙越小越好，但组装问题是个关键，同时还应考虑气隙对其他方面的影响，如振动、噪音，以及电机运行的可靠性．因此，实际中电机的气隙并不是很小，因为三相绕组产生的磁势并不是正弦的，而是含有丰富的谐波分量，气隙越小，这些谐波分量对振动的影响就越大．另外，还要考虑到加工误差以及装配误差，定转子安装之后是不可能同心的，这就存在一个偏心的问题．存在偏心会导致单边磁拉力存在，气隙越小，偏心率就越高，单边磁拉力也就越大．大的磁拉力会使得转子发生形变，而转子形变又将进一步增大定转子偏心，但如果气隙太小，会导致发生转子扫膛的严重后果[2]．

目前，ISG电机主要为永磁同步电机，一般永磁电机气隙通常比异步电机大，是因为永磁体能提供较为稳定的磁场，如果气隙过小，将会导致磁场畸变增大，转速降低．为了装配需要通常会设计得大一些．转子直径越大，间隙越大，目前气隙范围一般在0.35～1.5 mm之间．

2.2 ISG电机的装配分析

因为ISG转子与曲轴用螺栓连接，故ISG电机安装与传统的电机有区别，且设计时要更多地考虑转子、定子、机壳等与周边零件的连接与配合情况．装配过程中产生的装配间隙，将直接影响气隙，进而影响电机性能[3、4]．

下面以某增程式纯电动ISG电机为例进行分析．该电机具有典型性，采取的是转子与发动机曲轴用螺栓连接的方案，根据发动机结构、变速箱结构以及整车布置的要求，ISG电机的三维结构如图1所示．

综合考虑ISG电机的性能及安装环境，此ISG电机定、转子气隙设计为0.8 mm．ISG电机各部件尺寸及公差如下：

(1)定子通过前端盖间接安装到发动机壳体上．

①前端盖与发动机壳体通过两个空心销定位安装．

发动机壳体销孔：Φ12.5H7 (0.018，0)，深8，位置度Φ0.08；空心销：Da12.5m6(0.018，0.007)，Di10.4，L10；前端盖销孔：Φ12.5S7 (-0.021，-0.039)，位置度Φ0.1．

②定子与前端盖通过止口定位安装．

前端盖止口位置：Φ246h7(0.-0.046)；定子止口位置：Φ246H7(0.046，0)．

(2)转子通过止口安装到发动机上．

曲轴上止口：Φ35H7(0，-0.016)；转子上止口：Φ35H7(0.025，0)．

计算定、转子安装后的间隙实际上是计算定、转子轴线的偏移量e．

emax=e3+(e1+e2)．

e1为发电机前端盖安装到发动机后，前端盖轴线与发动机曲轴轴线的偏移量．前端盖通过销与发动机安装，发动机上销孔有位置度要求，销孔偏离理想位置0.08/2 mm，前端盖安装到发动机后(通过销安装，销与前端盖过盈配合，看作一个整体)也会偏移0.08/2 mm；同理，前端盖上销孔偏离理想位置0.1/2 mm．此外，发动机上销孔与前端盖上销存在间隙为(12.5+0.018)/2-(12.5-0.007)/2 mm，得出：e1=0.08/2+0.1/2+(12.5+0.018)/2-(12.5+0.007)/2=0.0955 mm．

e2为发电机定子安装到前端盖后，发电机定子轴线与前端盖轴线的偏移量．发电机定子通过止口定位安装到前端盖．e2=(246+0.046)/2-(246-0.046)/2=0.046 mm．

e3为转子安装到发动机后，转子轴线与发动机曲轴轴线的偏移量．发电机转子通过止口定位安装到发动机上．e3=(35+0.025)/2-(35-0.016)/2=0.0205 mm．

因此，emax=e3+(e1+e2)=0.020 5+0.046+0.095 5=0.162 mm．

2.3 装配偏差对电机系统性能的影响

针对0.162 mm的极限装配偏差结果，从以下方面对装配误差造成的气隙问题进行分析：

2.3.1 电机电磁性能下降问题

应用仿真软件评估了电子转子偏心对电机反电势、齿槽转矩、峰值转矩的影响．从分析结果来看，偏心0.162 mm对电机的影响较小，仍满足电机的性能，具体结果如图2所示：

2.3.2 振动、噪声、旋转变压器精度问题

由于振动、噪声、旋转变压器精度均无法用软件进行评估，因此进行实车测试判断．根据实车路试，电机的噪声、振动、旋转变压器的精度都在允许范围内，故证明此ISG电机的结构及安装形式满足国标对NVH的要求．

3 结论

合理的气隙是决定电机性能的关键，通过本文案例分析，得出以下结论：(1)设计中关键零件配合尺寸的精度越高，装配中产生的偏差越小，但是也对零件加工提出了更高的要求，因此气隙与零件结构的设计需找到平衡点；(2)设计中应尽量简化ISG电机的结构，避免增加间接连接件．装配时，先装配定子或是转子，取决于ISG电机的结构及难度．以上结论可为ISG电机关键零件尺寸及装配提供参考，但文中只分析了最典型的ISG电机的装配形式，其他装配形式的分析有待进一步研究．

[1]阿尔弗雷德·克拉普尔.起动机——发动机一体化技术(ISG)未来汽车设计的基础[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[2]唐任远.现代永磁电机：理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]冒晓建.并联式ISG混合动力总成设计与性能优化研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[4]李鹏，左建令. ISG型轻度混合动力汽车系统概述[J].农业装备与车辆工程，2007,(1)：3-6.

(审稿人 赵 琰 邓景茹，责任编辑 王 巍)

The study of ISG motor air gap used in new energy vehicles

LI Ning, WANG Ying, QIANG Da-zhuang,SHU Dan-dan

(Chaoyang Teachers College, Chaoyang Liaoning 122000)

Nowadays, ISG motor is widely used in new energy vehicles as Plug-In Electric-vehicles and Hybrid Vehicles. Because the installation of ISG motor is complex, its structure and assembly process need higher request. The reasonable air gap decides the performance of the motor. This paper explores the design principle of ISG air gap by analyzing the different connection forms of ISG motor in the new energy vehicle. Taking the ISG motor structure of a certain Plug-In Electric-vehicle as an example, the influence of the installation process on the performance of ISG motor is analyzed by the calculating of the installation deviation as well as the simulation test and vehicle test, which can provides a reference for the design of key ISG motor components.

ISG; air gap; assembly

2015—12—20

李宁(1984-)，男，辽宁北票市人，讲师，主要从事新能源汽车方面研究．

TM351

A

1008-5688(2017)01-0087-03