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混动重卡电机系统的设计与仿真分析
2020-10-24 22:29:25· 来源：EDC电驱未来
作者：徐天稷 丁永根丨上海汽车电驱动
1 引言
现阶段新能源汽车产业日益发展不断进步，纯电动系统随着政策的扶持与充电设备的普及，正处于快速发展阶段，但针对卡车市场尤其是重卡平台，混合动力系统依然存在着纯电动系统无法替代的优势，例如系统动力性强，不受充电设备限制等，应国内某主机厂需求，开展匹配42吨以上重卡车辆并联式混动电机系统的定制化设计与研究工作。
2 电机设计
以设计关键零部件的可靠性，各零件的制造工艺、加工成本，以及整机装配工艺、可维护性、配置合理性等为前提，确定设计方案的框架及其各部件的结构尺寸和材料，设计过程结合机械设计学、材料学、金属加工工艺学、热力学、流体力学、电磁学等多学科知识。并结合整车配置要求以及技术需求，利用Solidworks、ANSYS等软件工具进行开发设计与仿真分析。性能需求如表1所示；装配模型如图1所示。
3 仿真分析
3.1 热管理分析
对于整车来而言，水道流阻和散热能力是考核冷却系统的重要指标。冷却系统的设计必须兼顾整车冷却系统水泵扬程范围。同时还要充分考虑重卡车辆的实际恶劣情况，如长时间在高速公路运行实际冷却液流量、温度达不到设计要求，因此须对冷却系统进行充分的研究与分析。
图1 并联式混动重卡电机装配模型
通过ANSYS仿真软件的Fluent模块，进行流阻仿真分析，在设计流速为20L/min情况下，电机水道水流通畅，流速正常，无明显死区，如图2所示；压力分布均匀合理达到设计预期，压差损失为ΔP=13.65kPa，如图3所示。
图2 流量下冷却液流速分布
图3 流量下冷却液压力分布
同时，通过ANSYS仿真软件的Maxwell模块，对电机温度场进行仿真分析，在冷却液入水温度为65℃、流量为20L/min的条件下，对电机系统的额定温升和峰值温升进行仿真分析。
电机系统于1200Nm、100kW额定工况下持续运行，绕组最高温度稳定在121℃，如图5所示。于1800Nm、150kW峰值状态下持续运行60s时，绕组最高温度达到134℃，如图6所示。
图5 额定工况温升
图6 峰值工况温升
3.2 振动强度分析
电机通过两侧端盖及悬置固定板固定，即一侧连接变速箱，一侧连接发动机，机壳悬置与整车车架相连，根据国内重卡车辆的路谱分析和参考国内外重卡产品的相关试验标准，设计专用的PSD谱对电机系统进行随机振动仿真分析。
与变速箱连接的前端盖最大应力约为153MPa，发生在Y轴振动方向，材料为A356，屈服强度为185MPa，安全系数n=1.2，如图7所示。
与发动机连接的后端盖最大应力约为70MPa，发生在Z轴振动方向，材料为A356，屈服强度为185MPa，安全系数n=2.6，如图8所示。
与整车悬置相连的机壳最大应力约为199MPa，发生在Y轴振动方向，材料为2A12，屈服强度为275MPa，安全系数n=1.4，如图9所示。
4 转子结构设计
由于重卡电机需求扭矩大，铁心长度和重量以及磁场强度远超一般客车、轿车使用的电机系统，因此在转子结构设计过程中应充分考虑重力和磁力对轴承、转轴使用寿命的影响，转子结构模型，如图10所示。
轴承作为电机系统的关键零部件，使用寿命的校核工作十分重要，电机系统的最高工作转速为3000rpm。为满足轴承寿命和转速的要求，电机系统选用6215深沟球轴承，轴承寿命校核结果，如表2所示。
图7 前端盖强度仿真
图8 后端盖强度仿真
图9 机壳强度仿真
图10 转子结构模型
表2 轴承寿命计算结果
轴的强度是满足产品正常运行的关键，并联式混动电机系统，需同时连接作为输入端的发动机与作为输出端的变速箱，在仿真分析中，应充分考虑输入、输出综合状态下的耦合扭矩。
图11 输入端轴的强度仿真
图12 输出端轴的强度仿真
输入端电机轴在峰值扭矩1800Nm工况下，产生的最大应力为373MPa，位于输出端花键根部，材料为20CrMnTi，屈服强度为850MPa，安全系数n=2，如图11所示。
输出端电机轴在峰值扭矩2200Nm工况下，产生的最大应力为68MPa，位于输出端花键根部，材料为20CrMnTi，屈服强度为850MPa，安全系数n=12，如图12所示。
5 总结
1.重卡车辆电机系统设计过程中，应充分考虑实际工况的恶劣性，如着重分析实际路谱的复杂性、冷却系统的设计余量以及电机本身的影响因素等；
2.混动重卡电机系统与发动机、变速箱、整车悬置相连，应充分考虑使用过程中耦合性工况，如换挡机构对电机系统的冲击载荷，耦合扭矩对转轴强度和疲劳寿命的影响；
3.通过对混动重卡电机系统的设计与仿真分析，为后续其他重卡电机系统的设计与研究工作积累了一定的经验，具有参考意义。
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