摘要：根据对汽车驱动装置的实测数据，结合传统解放牌汽车后轮轮毂的结构特点，设计并一种新型的双凸轮式永磁轮毂电机，并对该结构进行了各种相应机械特性的核算和调整。在此基础上，针对该轮毂电机的电磁，设计开发了基于Vc++的电磁场三重迭代核算程序，给出了一台5 kw样机的电磁设计方案。
关键词：双凸轮；永磁轮毂电机；电磁设计；结构
0 引 言
目前，电动汽车驱动用的电动机通常有直流电动机、交流三相感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机。本文对上述电机的优缺点对比后，结合电动汽车对驱动电机的性能指标要求，将双凸极永磁电机作为汽车的驱动电机。该电机结构简单、坚固，维护方便，转速范围宽广、效率高、控制特性优良、成本低。采用永磁双凸轮式电动轮毂后，取消了原来汽车的变速箱、传动轴、后桥等部件，使得电动车体积重量减小，结构更加紧凑。采用电动机驱动替代原机械接触式控制后，可以实现精确的电子控制，提高了能量传输效率，降低了成本；利用电机四相象运行的优点，有效地实现制动能量的回馈利用，提高了电动车的整体性能与性价比。
1结构设计
作为电动车驱动用的轮毂电机，其结构和尺寸要受到汽车相关标准件的严格制约。考虑到汽车运行的可靠性稳定性以及维护方便等要求，轮毂电机在结构上要保证定转子同心且气隙均匀，要保证转子的机械强度和合理的带载方式，要保证电机固定轴合理的承载工作面和整个电机适宜的外型结构，还要求电机易于拆装、维护和更换等。
综合上述考虑，实际测量了一台桑塔那2000型GSI后轮驱动轮部分的相关尺寸，见表1。



由于该轮毂电机具有以下特点：①外转子结构且转子端面为带载端；②电枢绕组和永磁体都在定子上；③轴向允许长度小，电机为圆盘式扁平结构。
结合该电机特点以及前述汽车轮毂电机结构特性要求，我们参考文献【7】中轮毂部分的结构图例，对比得出了区别于传统电机的双凸轮式永磁轮毂电机的结构模型如图l所示。


图l所示电机结构型式有以下优点：①适合与汽车驱动轮部分的其他元件配合，且合理利用了有效空间，便于电机的固定与安装；②电机固定轴受力合理，转子带载端运行可靠稳定；③便于汽车及轮毂电机本身各部件的拆装与维护。在上述结构基础上，又针对5 kW双凸轮式永磁轮毂电机的结构设计，进行了各种相应材料的选择与机械特性的核算和调整。
考虑到电机固定轴主要承受的是弯矩而不是扭矩，选用40Cr的调质钢阶梯轴。充分考虑安全裕量(进行了疲劳强度安全系数校核和静强度安全系数校核)后确定定子周主工作面轴径为50 mm。
计算并选用了一对单列深沟球轴承，根据GB／T276—1994，选用了60000型大6310、小6210的成对轴承。
定子支架的选择首先根据实际情况求的支架的计算载荷，然后根据圆柱型壳体(厚壁圆桶)的受压弯作用时的l临界应力值验算得出。支架选用7A04(LC4)GB／T 3190—1996以锌为主的铝合金，壁厚5 mm，内径60 mm，完全能够承担定子重量且该材料磁导率很低，而且裕量很大，不会产生应力弯曲等现象，足以保证电机气隙均匀。
根据支架的设计方法及尺寸，轮毂的尺寸也可以确定，硅钢片采用冷轧无取向DW540—50，永磁铁采用烧结钕铁硼280／135。
2电磁设计
双凸轮式永磁轮毂电机的截面示意图如图2所示。


电机采用外转子结构，外转子尺寸和结构形状参照相同功率传统电机(外定子内转子结构)的定子尺寸和结构形状，外转子电机定子尺寸和结构形状参照相同功率传统电机转子的尺寸和结构形状。结合电机的技术指标(如表2)得出一台3相定转子12／8极5 kW双凸轮式永磁轮毂电机的结构尺寸如表3。


针对上述算例，基于VC++开发了针对该电机的电磁场三重迭代核算程序。有限元计算部分的实现子框图如图3所示，整个程序框图如图4所示。





在整个程序的开发中所采用的是面向对象的设计思路，表现为程序执行的一种事件触发模式：
根据以上程序框图所实现的程序，初取电枢电流I=12A，负载转矩TL=11．8 N·m，转速n=4 000 r／1Illn，相电压μ=240 V，饱和迭代步长取O．75，外二层迭代步长取为O．85，饱和迭代误差取为0．001，外二层迭代精度都取为0．02。这样通过程序的三层迭代调整计算，最后三层同时满足迭代精度时从里到外各层的迭代次数依次为8、l、57，共耗时14小时左右。核算完成后得到以下参数值，见表4。


3结语
本文针对电动车用驱动电机设计了一种新型结构的双凸轮式永磁轮毂电机，并以5 kw样机为例给出了该电机结构实现的一般过程和方法；在电机电磁设计方面也有所突破，用专用软件进行了严格地核算。相信无论从结构还是电磁设计方面，都有一些新的尝试，同时也为该电机的进一步拓展与延伸提供了参考。
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作者简介：郭建龙，男，山西省兴县人，硕士研究生，从事
特种电机及其控制的研究。
陈世元，男，辽宁省辽阳人，教授，从事特种电机及其智能
控制，电机的交流绕组理论、电磁场、热交换和cAD等方面的
研究。