车用高速永磁电机转子结构设计的分析与研究

车用高速永磁电机转子结构设计的分析与研究

孙北能

佛山市顺德区金泰德胜电机有限公司

摘要

车用高速永磁电机转子结构设计是电机设计的关键环节，为确保转子结构设计良好，在设计完成后需要做好分析，确认转子结构满足高速永磁电机需求。本文针对车用高速永磁电机转子结构设计进行分析，设计研究中以某车辆为例，设计转子总体结构，并对结构进行分析，旨在保证结构设计符合永磁电子设计需求。

关键词：车用；高速永磁电机；转子结构；分析与研究

随着我国汽车产业发展，汽车及元件设计要求也在逐步提高。在《节能与新能源汽车技术路线图 2. 0》 中明确将碳排放降低列为重点目标，要求到2025 年新能源汽车达到 20%的渗透率。 而根据此要求对现代汽车及元件设计分析发现，目前部分汽车电机设计根本无法达到此目标，为解决此问题，相关研究专家将目光放在高速永磁电机身上，该电机具有结构简单、体积小以及功率密度大等优势，在《汽车技术路线图》发布后具有良好的发展前景。目前，关于高速永磁电机的研究应以完善转子结构设计为重点，通过转子结构优化设计，提升电机总体性能。

一、车用高速永磁电机简要介绍

车用高速永磁电机在现代驱动车辆中应用展现出良好性能，该电机是以永磁体为核心产生磁场的一种高速电机，具有效率高、功率密度高、节能环保等诸多优势，非常符合现代汽车技术发展方向。

首先，高速永磁电机以永磁体为核心运行，从而降低励磁电流给电机造成的能耗，从而使电机运行效率更高。

其次，车用高速永磁电机对传统电机进行突破，尤其是与异步电机差距非常大，功率密度更高，较短时间能够为汽车提供更多动力。

第三，节能环保优势是车用高速永磁电机被广泛应用于汽车行业的主要优势，而其节能环保优势与其效率优势有密切关系，电机运行效率提高后期产生热量相对较少，所以其能耗更低，更高符合汽车环保要求。

第四，车用高速永磁电机与传统异步电机在结构上有所简化，从而使电机结构更方便维护，维修。

综上所述，车用高速永磁电机在应用的过程中，优势非常明显，并且在其应用的过程中，会形成与变速器和控制系统的联系，使车辆在减速和方向控制方面具备良好优势。实践研究发现，该单机在正常运行的情况下温度、震动而后噪音等参数均非常低，证明其性能良好。

二、车用高速永磁电机转子结构设计

本文在研究的过程中以某汽车高速永磁电机转子结构设计为例，该车电机峰值功率 80 kW、 峰值转速 12000 r/ min、 峰值扭矩 300 N·m 。以下是对结构设计进行分析。

（一）连接方式设计

转子连接方式设计具体是指铁芯与轴的连接设计。铁芯与电机轴都是转子的主要结构，铁芯由转子冲片叠加组成，铁芯与电机轴连接后就形成转子的基本结构。在整体结构中，冲片叠加方式基本固定，结构性能的展现与铁芯与电机轴连接方式密切相关。例如，上述电机转子结果设计过程中，拟考虑单平键连接、双平键连接、转子铁芯齿连接、过盈连接方式，设计中对连接方式进行比选分析。

1.单平键连接方式转子结构最常见连接方式，主要特点在于单侧开键槽。传统180°连接方式为双侧键槽，而设计单平键连接方式，整体形成减重，但是动平衡性相对较弱，需要在平衡板上增加孔结构。

2.双平键槽连接方式的主要优势在于平衡性，平衡性比单平方式更优，但是键槽位置会有较大孔隙，转子在高速转动情况下会出现离心偏移情况。

3.转子铁芯单齿和双齿连接方案是否定平键后提出的新方案，两种方案主要区别在于需要增加电机铁芯尺寸，以满足尺寸空间需求，但是其重量有所增加，而其卡槽的部分也不能节省，因此两种方式在动力性能和节能方面不够优秀，不可选。

4.过盈连接方式。上述四种方式均存在问题。为此，针对预防过盈问题，提出转子铁芯过盈连接方式，该连接方式是以配合过盈连接的特殊形式。对方案进行了解发现，该连接形式具有形式简单，定心精度优良等优势，转子与电机轴选择此种连接方式，可承受转矩、轴向力或两者相加载荷，基础承载力更高，在冲击振动载荷下也能提供稳定支持。连接零件无键槽削弱，使转子和电机轴的配合度更高，使转子的工作效率更高。过盈连接是当前转机连接的主要形式，适合应用于新能源汽车电机、叉车、高尔夫球车以及高空作业平台等通用机械上，且大多应用中等或大尺寸电机，在转子设计实践中展现出良好效果。

（二）过盈设计计算

上述车辆电机采用过盈设计连接方式。在电机设计研究中发现，电机设计应通过计算研究确保过盈量符合转子需求，一般情况下，过盈量越大代表轴与铁芯的压力越大，二者之间也形成良好稳定性。但是，受到转子结构影响，如果过盈量设计过大，也将导致零件出现塑性变形，过盈也将失效。按照上述可知，过盈量的设计计算非常关键，因此本文设计分析中针对过盈量计算进行研究，根据厚壁圆筒计算理论，提出过盈量计算公式（公式1）

公式1 Δmin = pd（C1/E1+C2/E2）

式中： Δmin 为电机轴与铁芯配合处的最小过盈量，μm；p 为轴与铁芯配合的径向压力，MPa；d 为配合轴径，mm； E1 为电机轴材料的弹性模量， MPa；E2 为转子铁芯材料的弹性模量， MPa；C1 为电机轴的刚度系数；C2铁芯的刚度系数。

通过计算公式可知，计算转子的最小过盈量，需要先了解电机轴刚度系数，而其刚度系数与其材料、配合轴径之间可通过简要计算获得。在本次设计中，点击采用电工钢带 (片) 35W250，该材料的泊松比为0.3，而其轴径按照对电机的需求分别设计为50mm、最后按照公式计算可知Δmi=4um。按照上述设计，本次转子结构的过盈设计以4um为配合公差[1]。

（三）铁芯与轴配合公差

电机设计制造一般以IT6、 IT7、 IT8为加工公差等级，为满足加工制造等级，也需要在设计的过程中设计铁芯与轴的配合公差。本次电机制造以IT7级别为主要标准，在设计的过程中需要保证铁芯与轴均应保持过盈最小量情况下设计，保证设计良好实施，提升设计效率。

设计计算配合公差时，先明确各项基本设计参数，按照上述研究电机轴基本尺寸为50mm、按照该尺寸控制明确过盈配合下的偏差要求，其中上偏差为0，下偏差为-30um。设计中选取过盈下偏差时，过盈量能够达到最小值，轴与铁芯的配合度最高，过盈配合不会出现失效情况。对应关系式即为 | ei-ES | ≥δs, 则 ES = -(30+32)= -62 μm, 即转子铁芯的上偏差为-62 μm。 综上可知，电机轴的尺寸为 ϕ50(0 / -0. 030), 转子铁芯的尺寸为 ϕ50( -0. 062 / -0. 108)[2]。

三、车用高速永磁电机转子结构设计强度验证

通过上述研究总结车用高速永磁电机转子结构设计情况，在设计完成后对铁芯与轴配合强度进行验证。按照过盈量、材料强度要求以及材料性能等参数在最终计算过盈配合强度为50Mpa，该强度比材料本身强度97.9Mp更小，代表过盈配合不会损伤材料，证明结构设计合理[3]。

结束语

车用高速永磁电机转子结构设计非常重要，对于电机整体性能有重要影响。通过本文研究，总结转子结构设计要点包括电机轴与铁芯连接方式设计，过盈量设计以及配合公差设计，研究后确认永磁电机转子采用过盈连接更为适合，有利于提升转子性能，保证永磁电机良好发挥性能。

参考文献

[1]高起兴,王晓琳,丁强,等.超高速微型永磁电机转子强度分析与结构设计[J].中国电机工程学报, 2021, 41(8):2856-2866.

[2]汪沛,刘雨坤,尹坤,等.高速永磁电动机设计的关键问题[J].工程技术研究, 2022, 4(2):1-2.

[3]吴潇应红亮.车用高速永磁电机转子结构设计探讨[J].汽车零部件, 2022(11):45-48.