本文基于一款新能源車輛對分布式驅動下直驅輪轂電機的需求，開發了一款輪轂電機。首先完成了性能參數指標下的總體方案設計，進行了電磁設計，采用有限元仿真方法得到了電機空載及負載性能；進而進行了輪轂電機機械結構設計及散熱分析；最后制作了樣機，完成了臺架測試。結果表明，電機具有高轉矩密度、良好的散熱等輸出性能，滿足設計指標，可為輪轂電機設計提供了一定參考和依據。

1 指標參數與總體方案

1.1 指標參數

整車廠針對一款小型SUV車輛，設計了分布式驅動方案，采用四輪直驅輪轂電機作為動力驅動裝置。由整車最高車速、最大爬坡度、爬坡車速、百公里加速時間、續駛里程等性能需求，以及電池配備和運行環境，經過整車計算分析得到輪轂電機參數指標要求，如表1所示。

表1 輪轂電機指標參數

1.2 總體方案

傳統的永磁電機氣隙磁密不足、繞組系數不高，作為輪轂電機表現有一定的局限性，面對輪轂電機所布置的輪輞內部空間長度限制，尺寸無法滿足要求。輪轂電機的總體設計原則是在滿足性能指標的前提下，盡可能地減小電機尺寸及質量，提升轉矩密度。為增加氣隙直徑以提高轉矩，本文采用外轉子設計。表貼式永磁體結構，受電機旋轉離心力后更加貼合鐵心，不占用轉子鐵心軛部空間，氣隙直徑可進一步提升，同時可通過永磁體聚磁結構設計來提升氣隙磁密。為降低輪轂電機軸向空間尺寸，采用分數槽繞組設計，每個線圈跨過一個齒，繞組端部短。

根據整車16寸輪轂尺寸，得到輪轂電機空間外包絡，考慮安裝間隙和機殼厚度，確定定子鐵心最大外徑。由軸向尺寸結合端面機械結構厚度和電氣間隙，確定定子和轉子的鐵心長度。輪轂電機散熱難度大，本文采用強迫水冷方式，選用導熱系數高的環氧樹脂對繞組和定子進行灌封，在定子內部設計冷卻及支撐結構，進而確定定子內徑最小尺寸。然后綜合考慮電機轉矩、功率輸出特性及線負荷、電流密度、熱負荷等設計參數，確定輪轂電機方案。

2 電磁設計

2.1 主要參數設計

根據徑向磁場的永磁電機轉矩輸出公式，輸出有效轉矩密度Tn可以寫成：

(1)

式中：Ke為反電動勢系數，與繞組排布及繞組因數有關；Ki為電流系數；KPW為功率系數；η為電機效率；Bgmax為氣隙磁密最大值；A為電機線負荷；Dg為電機氣隙直徑；Lef為電機鐵心有效長度；M為電機有效質量。

由式(1)可以看出，在其他參數不變的條件下，增加反電動勢系數Ke、氣隙磁密Bgmax及氣隙直徑Dg，可增加轉矩密度Tn。根據相關研究，采用永磁體聚磁結構，可有效提升氣隙磁密，改善波形正弦度，降低電機諧波，減小轉子軛部厚度[7-8]。如圖1所示，每極永磁體由主磁鋼和副磁鋼構成，主磁鋼提供主磁場，副磁鋼提供聚磁磁場，使得磁場向氣隙方向聚集。

圖1 聚磁結構示意圖

相對于繞組因數為0.866的常用分數槽繞組2/3極槽配合，8/9極槽配合繞組因數更高，達到0.945，為避免8/9極槽配合所產生的不平衡磁拉力，采用其偶數倍32極36槽設計。

為提高氣隙磁密、提升轉矩密度，單邊氣隙長度應盡可能小，但需要考慮輪轂電機直徑大，殼體、輪轂軸承等相關機械件精度，以及輪轂電機在輪胎內運轉產生的偏擺和路面行駛產生振動，適當增加氣隙長度。

輪轂電機在高轉矩輸出下發熱嚴重，設計時綜合考慮散熱能力，合理設計電機電流密度及熱負荷數值。嚴格設計熱參數的同時，選用耐溫高、性能強的N38EH釹鐵硼材料，防止永磁體高溫退磁。電機設計參數基于有限元仿真進行優化確定，主要尺寸參數如表2所示。

表2 輪轂電機主要尺寸參數

2.2 有限元仿真

根據表2的主要尺寸，對輪轂電機搭建模型，采用四分之一模型以縮短仿真時間，有限元仿真模型如圖2所示。其中轉子鐵心內表面貼有兩種磁鋼，主磁鋼設計有凹槽，配合轉子鐵心凸起完成固定，副磁鋼通過梯形窄口設計進行機械限位，避免脫落風險。基于有限元方法進行仿真分析，得到最高工作轉速1 400 r/min下電機空載反電動勢曲線，如圖3所示。空載徑向氣隙磁密隨角度變化曲線如圖4所示，可以看到，經過聚磁后，氣隙磁密幅值可達1.45 T。

圖2 有限元仿真模型

圖3 空載反電動勢曲線

圖4 空載徑向氣隙磁密曲線

輪轂電機采用SVPWM控制，表貼式永磁電機通常采用Id=0控制[9]。為提高設計及控制精度，本文經過仿真找到最優轉矩角α并不是0，即電流中存在Id分量，峰值電流下不同轉矩角得到的輸出轉矩平均值曲線如圖5所示。負載仿真時采用尋到的最優角度，依據控制器功率模塊限制給定電流，得到峰值轉矩，如圖6所示。經過計算，峰值工況下的電機線負荷為1 443 A/cm，電流密度為33.78 A/mm2，熱負荷為48 745 A2/(cm·mm2)。電機磁力線分布圖如圖7所示。可以看到，在定子繞組通入峰值電流時，主磁鋼和副磁鋼磁力線仍按照充磁方向分別沿徑向和切向形成回路。

圖5 最優轉矩角曲線

圖6 峰值轉矩曲線

圖7 電機磁力線分布圖

為進一步分析輪轂電機散熱情況，通過仿真和計算得出額定工況及峰值工況下電機銅耗及鐵耗，如表3所示。可以看到，在輪轂電機低轉速段，鐵耗小；大轉矩輸出時，銅耗大，將會在定子繞組中產生發熱，需要關注繞組溫升性能。

表3 輪轂電機負載主要損耗

3 結構設計及散熱分析

3.1 機械結構設計

輪轂電機結構主要包括定子、轉子、機殼、端蓋、軸承、旋變及油封等部件，與傳統汽車電機不同，本文設計輪轂電機沒有電機軸，采用第三代輪轂軸承作為定轉子旋轉支撐部件，將電機軸與軸承合為一體設計，縮短整機軸向空間。為提高輪轂電機散熱能力，設計了位于輪轂軸承和定子之間的定子支架，來支撐固定定子，同時該部件中間內部為散熱水道，可為冷卻液提供散熱路徑。采用大口徑油封進行整機密封，以達到防護等級要求。由于外轉子結構，集中驅動形式的電機旋轉變壓器并不適合，本文采用大外徑旋轉變壓器，旋轉變壓器定子位于定子支架上，轉子位于機殼上。為降低輪轂電機質量，對殼體進行減薄，同時外圓布置加強筋，以增加機械強度。電機端面圓周處設計有螺紋接口，方便集成制動系統。輪轂電機數模外形如圖8所示。數模剖面圖如圖9所示。

圖8 輪轂電機數模外形圖 圖9 輪轂電機數模剖面圖

3.2 散熱計算

輪轂電機的散熱問題一直是研究的重點，需要將電機損耗產生的熱量有效帶走，提升輪轂電機溫升性能。輪轂電機繞組損耗大，發熱重，是制約電機能力的主要問題。水冷電機繞組的主要傳熱路徑是由繞組經絕緣層到鐵心，再傳導至水道金屬壁，最后由冷卻液帶走熱量。根據熱傳導公式：

(2)

式中：Q為熱流量；λ為導熱系數；S為導熱面積；ΔT為溫度差值；h為物體厚度。

由式(2)可知，提高傳熱物體的導熱系數，可以提升熱流量。傳統電機采用的絕緣漆導熱系數在0.2 W/(m·K)左右，本文采用導熱系數為1.2 W/(m·K)雙組分環氧樹脂對輪轂電機定子及繞組進行整體灌封，應用真空灌封工藝，使環氧膠充分填充帶繞組定子，在繞組端部形成固化絕緣散熱層，提升散熱性能的同時，加強了絕緣性能，整體灌封定子如圖10所示。配合定子支架內部的冷卻水道結構，對定子進行強制散熱。

基于前文電磁仿真中計算的輪轂電機主要損耗值，應用熱網絡法對電機溫度進行分析，得到電機分別使用絕緣漆浸漆和環氧膠灌封絕緣處理的溫升對比曲線。持續工況下溫升如圖11所示，峰值工況下溫升如圖12所示。可以看到，使用環氧膠灌封較絕緣漆浸漆散熱性能明顯提升，尤其持續工況時溫度下降30 ℃。

圖11 持續工況溫升對比

圖12 峰值工況溫升對比

4 樣機制作及實驗驗證

根據設計方案制作了輪轂電機樣機，定子鐵心、轉子鐵心及測試平臺如圖13所示。對零部件及整機稱重計算得到，有效電磁件包含帶繞組定子、轉子鐵心及永磁體，質量合計18.4 kg，輪轂電機整機總質量31 kg。

經過臺架測試結果，1 400 r/min下的線反電動勢實測波形如圖14所示，幅值為268 V，與仿真結果基本一致。測試了多電壓下輪轂電機峰值外特性，實測曲線如圖15所示，峰值轉矩與仿真計算值800 N·m一致，最低電壓280 V下峰值功率仍能輸出50.6 kW。可知，輪轂電機有效轉矩密度為43.5 N·m/kg，整機轉矩密度為25.8 N·m/kg。實測效率Map圖如圖16所示，輪轂電機最高效率94.5%。經過軟件計算，電機效率大于80%的面積占全部面積的85.4%。

圖14 實測反電動勢曲線

圖15 多電壓電機峰值外特性曲線

圖16 實測效率map圖

在額定電壓393 V、冷卻液流量10 L/min、環境溫度25 ℃條件下，對電機溫升進行了測試，實測繞組端部溫度曲線如圖17所示。可以看到，輪轂電機持續工況450 N·m下30 min后溫度不再變化，可以持續運行，峰值工況800 N·m下運行時間大于新能源乘用車推薦標準30 s。

圖17 實測輪轂電機溫升曲線

5 結 語

本文針對新能源車分布式四輪驅動需求，研究并設計了一款輪轂電機，采用直接驅動車輪的外轉子表貼式永磁同步電機方案，主要參數為峰值轉矩800 N·m，最低電壓下峰值功率50 kW，最高工作轉速1 400 r/min，最高效率94.2%。給出了設計原則及主要尺寸參數，進行了電磁方案設計，采用有限元仿真方法得到了空載電機反電動勢及氣隙磁密，負載最佳轉矩角及峰值轉矩性能。計算了峰值工況下線負荷、電流密度及熱負荷，為輪轂電機設計提供了一定參考。設計了輪轂電機機械結構，提出一種通過帶繞組定子使用高散熱系數環氧樹脂膠進行整體灌封，配合帶有中間水道定子支架結構進行強制散熱的方法。基于損耗計算，經過和傳統浸漆方案的散熱對比分析，發現強制散熱方法可以有效大幅度降低輪轂電機溫升。最后制作了樣機，并進行了臺架測試，得到了與理論計算和設計分析相符的測試結果，滿足設計指標要求。輪轂電機有效轉矩密度高達43.5 N·m/kg，整機轉矩密度為25.8 N·m/kg。散熱性能良好，額定和負載溫升性能佳，證明了設計方法的正確性及可行性。

審核編輯：郭婷