客车用永磁同步电机转子结构优化与分析

徐天稷 张南 杨通

摘 要：为设计一款可满足8.5米客车用行星排混动系统，且充分考虑可匹配国内各主流客车企业相关车型，经分析统计整车轴向布置空间限制问题尤为突出，因此，为控制行星排混动系统轴向长度，对电机转子结构进行优化设计和仿真分析，同时，也为客车用永磁同步电机的轻量化、小型化设计积累了经验，具有一定的参考意义。

关键词：永磁同步电机 轴向布置空间 转子结构 计算校核 仿真分析

1 引言

混合动力系统较纯电动动力系统具有动力性强、不受充电设备限制等优势，其中，行星排混合动力系统较串联式、并联式、同轴混联式混动系统，在动力性、经济性、成本等方面更体现出明显优势。但由于为双电机+行星排变速箱结构，轴向长度较长成为整车布置过程中的限制条件，相较于10.5米、12米客车，8.5米客车布置行星排混动系统时，轴向布置空间更是显得十分紧张。因此，为满足整车布置要求行星排混动系统需对电机转子结构进行优化设计。

2 方案分析

行星排混合动力系统由驱动电机、发电机和行星排变速箱构成，由于行星排混动系统对驱动电机与发电机扭矩需求较小，且电机转轴仅与行星齿轮机构相连接，不直接与发动机和后桥传动轴相连接。综上，电机转子结构传递扭矩和承受轴向载荷均较小。

本文以行星排混动系统发电机结构为例进行方案优化分析，根据行星排混动系统需求，转子套筒与转轴之间的过盈配合需满足传递扭矩250Nm的要求。原始方案结构模型，如图1所示。

3 计算校核

参考《机械设计》中关于过盈连接的理论计算方法，设计转子套筒与转轴之间的最小过盈量为0.043mm，详细原始方案相关结构参数，如表1所示：

由于采用压入法装配时，配合表面的微观峰尖将被擦去或压平一部分，故考虑压平量的最小有效过盈量为：

式中，Ra1、Ra2——包容件、被包容件表面粗糙度;

由于采用热胀法装配时，理想状态下配合表面的微观峰尖无擦去或压平现象，故最小有效过盈量为：

接触压力：

式中，C1、C2——包容件、被包容件引用系数;

E1、E2——包容件、被包容件弹性模量;

可传递最小扭矩：

安全系数：

若单纯依靠过盈配合传递扭矩为250Nm时，由上述公式理论计算安全系数为1.7～3.9之间，由于在实际装配中采用热胀法无法达到理想配合状态，所以原始方案存在一定的设计风险。

4 优化分析

通过上述公式可知，在金属材料不变的前提下，影响安全系数的尺寸参数主要有过盈量、配合直径、配合长度等三个因素。由于考虑到金属材料性能与实际热胀工艺水平，为保证产品可靠性和装配效率，过盈量因素已无法优化;为综合考虑装配零部件的工艺性、经济性及合理性，配合直径的调整范围也十分有限，无法达到预期优化效果;因此，调整配合长度为该结构的唯一有效手段，但又因受整车轴向布置空间限制，需在不改变行星排混动系统轴向尺寸的前提下，优化配合长度，如图2所示。

优化方案在原始方案的基础上取消限定转子套筒轴向位置的卡簧，用轴承替代原始方案卡簧以限定转子套筒轴向位置，此方案可在混动系统整体轴向尺寸不变的基础上，一定程度上增加转子套筒与转轴之间的配合长度，可提升此处结构的稳定性与安全系数，详细优化方案相关结构参数，如表2所示：

5 仿真分析

由于使用公式计算无法将实际运行过程中温度场的影响考虑进去，而温度对过盈配合传递扭和承受载荷能力又产生十分重要影响。因此，使用ANSYS软件进行仿真分析，并设定温度场在此结构处的边界条件。经上述公式计算校核结果，压入法安全系数较热胀法低，为考虑极端恶劣情况，仿真分析时设定边界条件为压入法参数，即设置最小过盈量为0.02252mm（单边尺寸）并对原始方案和优化方案进行对比分析。原始方案仿真分析结果，如图3所示。优化方案仿真分析结果，如图4所示。

根据仿真分析结果，优化方案安全系数2.1大于原始方案安全系数1.8。同时，对优化方案转子套筒承受轴向载荷能力进行仿真分析，仿真结果为承载力F=12179N，如图5所示。为后期样机试验和整车验证提供相关性能参数指标，同时，也对行星排机构的斜齿设计提供参考。

6 总结

根据计算校核和仿真分析结果可知，优化方案可在保证不增加混动系统整体轴向尺寸的前提下，有效增加转子套筒与转子之间的配合长度，进而提高实际传递扭矩和承受轴向载荷的能力。此外，对于传扭和承载要求不高的动力系统条件下，应用此优化结构可提升动力系统结构的紧凑性，为客车用永磁同步电机的轻量化、小型化设计积累了经验，具有一定的参考意义。

参考文献：

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