吴潇，应红亮

1.上海汽车电驱动有限公司，上海 201806；2.上海电驱动股份有限公司，上海 201806

由中国汽车工程学会牵头修订编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》于2020年10月27日在上海发布，路线图2.0要求把汽车产业的碳排放降下来，到2025年新能源汽车达到20%的渗透率。由于高速永磁电机具有体积小、结构简单、功率密度大、可靠性高等优点，从而使其有着广泛的应用前景[1-2]。

目前，新能源汽车动力系统所用的驱动电机，多数是高速永磁电机。本文基于一台峰值功率160 kW、峰值转速20 000 r/min、峰值扭矩265 N·m的车用高速永磁同步电机转子的结构设计，从转子铁芯与电机轴连接方式的选择、过盈量的计算、配合公差的选取、机械强度的校核等方面进行了详细论述，为车用高速永磁电机转子结构的设计提供一些参考。

IPM车用驱动永磁电机转子主要由一片片的转子冲片堆叠成铁芯，再将永磁体插入铁芯中形成含永磁体的转子铁芯，最后将转子铁芯与电机轴连成一个整体。电机轴与转子铁芯常用的连接方式主要有以下几种：①电机轴与转子铁芯通过单平键连接(图1a);②电机轴与转子铁芯通过互成180°的双平键连接(图1b);③电机轴与带单键齿的转子铁芯连接(图1c);④电机轴与带双键齿的转子铁芯连接(图1d);⑤电机轴与转子铁芯过盈连接(图1e)。

图1 铁芯与轴的连接方式

轴与转子铁芯采用单平键连接是最常用的轴毂连接方式，相较于180°对称的双侧键槽，单侧开键槽，转子总成的动平衡性能会弱些，采用减材去重时，平衡板上去重孔数也会多些。实际上，不管是采用单键还是双键，键槽处，轴与转子铁芯径向上有孔隙，当转子高速旋转时，键在高速离心力的作用下，径向上会往外侧移动，这就导致初始动平衡满足要求的转子总成，跑完高速后，其动平衡性能变差。如果不采用平键连接，而是将键齿集成到冲片上，既省掉了键，动平衡性能也有所改善。对于高速电机而言，如果使电机轴满足NVH的要求，通常需要加粗轴径，以增强转子的固有频率，同时又不希望轴的质量有明显增加，实践中多将加粗后的轴做成空心轴。由于空心轴的轴壁通常比较薄，因而，不管是采用平键连接，还是采用键齿代替平键，实际上都需要在轴壁上开键槽。如图2所示，这将造成空心轴薄壁处应力集中，而且热处理时，该薄壁处极易出现裂纹。比较而言，空心轴采用纯过盈的连接方式更可取。空心轴与转子铁芯采用过盈连接，过盈量如何选取，下文展开论述。

图2 薄壁空心轴

电机轴与转子铁芯采用过盈连接，当连接传递的转矩为T时，则应保证在此转矩作用下不产生周向滑移。亦即当径向压力为p时，且在转矩T的作用下，配合面间所能产生的摩擦阻力矩Mf应不小于转矩T[3]。Mf计算公式为：

(1)

式中：d为配合轴径;l为轴与铁芯过盈配合长度;p为铁芯与轴的径向压力;μ为摩擦因数。

图3 电机空心轴结构

表1 电机空心轴尺寸 单位:mm

根据材料力学中厚壁圆筒计算理论[5]，当径向压力为p时，过盈连接传递载荷所需的最小过盈量为：

(2)

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为铁芯的刚度系数。

C1、C2满足如下关系式：

(3)

式中:d1为电机轴配合处的内径(即空心轴的内径);d2为转子铁芯的有效外径;μ1为电机轴材料的泊松比，μ2为铁芯材料的泊松比。

由Δmin的公式可知，若要计算最小过盈量的具体值，需要先求出电机轴与转子铁芯的刚度系数。d、d1、d2均是已知数，电机轴的材料为20CrMnTi-H,属于合金钢，其泊松比μ1为0.3，转子铁芯材料为电动汽车驱动电机用冷轧无取向电工钢带(片)27WDG1400，属于低碳钢，其泊松比μ2为0.3[6]，将d、d1、d2、μ1、μ2的具体数值代入C1、C2，可算得电机轴的刚度系数C1=4.67，转子铁芯的刚度系数C2=3.48。由文献[6]可查得电机轴材料为20CrMnTi-H对应的合金钢弹性模量E1为206 GPa,转子铁芯所用无取向电工钢带25WDG1300，对应的碳钢弹性模量E2为196～206 GPa，取其中间值201 GPa，将C1、C2、E1、E2的具体数值代入Δmin对应的公式，可得Δmin=5.2 μm。理论上，如果转子铁芯与轴之间始终都有不小于5.2 μm的有效过盈量，该过盈量产生的径向压力，相伴而生的周向摩擦力，则可以保证扭矩为265 N·m时，转子铁芯与轴间不出现相对运动。这在电机转子中低速旋转时是适用的，当转子高速旋转时，离心力对转子的作用越来越大，以致不考虑离心力对转子的影响，将导致转子运动失效。

前述关于过盈连接的分析计算没有考虑离心力对过盈连接的影响，对于承受静止载荷或者转速不高的过盈连接是适用的，本文所述的 20 000 r/min、160 kW高转速大功率的转子，当转子运行在高速区，随转速的升高离心力呈指数式增长，其对过盈连接的影响已经不能忽视。宏观表现是随转速的不断增加，原本连接可靠的过盈轴与毂出现相对转动，即轴与毂之间出现了松脱。如果考虑转速对过盈连接的影响，则转子在高速旋转状态，由离心力引起的动态补偿过盈量[7]计算公式如下：

(4)

式中：ω为电机轴角速度(rad/s);d为过盈配合处的轴径(mm);ρ为电机轴的密度(kg/m3);D为转子铁芯有效外径(mm);d0为空心轴内径(mm);ν为电机轴的等效泊松比(因为轴毂均是钢，等效泊松比简化取为0.3);E为电机轴的等效弹性模量(因为轴毂均是钢，等效弹性模量可取201 000 MPa)。

动态补偿过盈量计算参数见表2。

表2 动态补偿过盈量计算参数

代入具体数值，可算得动态补偿过盈量δw为12.1 μm。如前文所述转子中低速运转所需的过盈量Δmin=5.2 μm，则高速运转考虑了动态补偿时的最小过盈量δmin=Δmin+δw=5.2 +12.1=17.3 μm。实际上，转子运转过程中不免会存在载荷波动、应力集中、制造装配误差等问题，设计上，为使电机转子安全可靠的运行，通常会取一个安全系数，对于该种过盈连接安全系数S通常取1.5～2，本文取安全系数S为1.5，则考虑安全系数后的最小有效过盈量δs=S·δmin=1.8×17.3=31.1 μm，圆整后δs为32 μm。因为电机轴轴径与转子铁芯的孔径在制造过程中会存在一个合理公差范围，也就是说批量生产时，两者实际配合过盈量会在一定范围内波动，这牵扯到配合尺寸公差的选取问题。

电机轴制造时，加工公差等级通常取IT6、IT7、IT8 3个等级。既考虑配合表面有较高均匀性的要求，保证有较高的配合精度，同时需要满足加工经济性的要求，一般取IT7的公差等级较合适。对于轴类零件的配合通常选用基轴制配合，即轴的基本偏差为h，则有轴的配合公差为h7,如前所述，电机轴的基本尺寸为65，即有电机轴的尺寸为65h7。查尺寸公差配合表，得电机轴的上偏差es=0，电机轴的下偏差ei=-30 μm。对于过盈配合，当轴取下偏差ei(轴取最小值)，孔取上偏差ES(孔取最大值)时，过盈量最小。通俗地说，轴与铁芯取极限尺寸时，也要满足过盈配合不失效。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。因为孔比轴难加工，设计时通常孔的公差等级选低一级(即偏差范围宽些)，则转子铁芯的标准公差可取IT8，按GB/T 1800.3—1998标准公差数值表，基本尺寸65对应的标准偏差IT8=46 μm，则转子孔的下偏差EI=ES-IT8=-62-46=-108 μm。综上可知，电机轴的尺寸为φ65(0/-0.030),转子铁芯的尺寸为φ65(-0.062/-0.108)。

当电机轴取上偏差es(即轴径取最大值),转子铁芯取下偏差EI(即铁芯孔径取最小值)时，电机轴与转子铁芯的过盈量最大，最大过盈量δmax=|es-EI|=130 μm。因电机轴与转子铁芯均是塑性材料，可以按照第四强度理论校核其强度，在弹性范围内检验其承受最大应力的配合面是否满足材料强度要求，对于转子铁芯(包容件)及电机轴(被包容件)，如果不出现塑性变形，则需满足如下检验关系式：

对电机轴(被包容件)过盈配合处外表层最大应力：

(5)

对于转子铁芯(包容件)过盈配合处内表层最大应力:

(6)

式中：σs1为电机轴20CrMnTi的屈服强度，按GB/T 3077《合金结构钢》查得σs1为835 MPa;σs2为转子铁芯27WDG1400的屈服强度，按GB/T 34215《电动汽车驱动电机用冷轧无取向电工钢带(片)》查得σs2为370 MPa。

(7)

由上文可知：δmax=130 μm，d=65 mm,C1=4.67,C2=3.48,E1=206 GPa,E2=201 GPa,代入具体数值，可求得pmax=50 MPa，显然pmax

高速永磁电机的设计是多物理场多学科耦合的设计，也是一项系统工程，本文从机械结构设计的角度，结合实际工作中的一些心得体会，通过对转轴与转子铁芯配合方式的选取，转轴与转子铁芯过盈量计算的考虑因素等方面的论述，大致归纳出以下结论：

(1)高速永磁电机转子铁芯与电机空心轴的连接方式宜采用过盈连接。高速工况，离心力对轴与铁芯配合过盈量的影响逐步凸显，比如本例中，静止状态克服265 N·m的扭矩需要5.2 μm的过盈量，而离心力引起的动态过盈补偿量达到12.1 μm，是静止状态所需过盈量的两倍多。

(2)转子铁芯与空心轴配合公差选取时，既要满足轴与铁芯传力的要求，保证两者不松脱，两者对应材料强度不超过许用范畴，也要考虑加工的经济性，制造装配误差的影响。

汽车零部件2022年11期