聊一聊電機(jī)定子在電機(jī)殼體中的固定方式的選擇

眾所周知，隨著對(duì)新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率密度的要求不斷提高，新能源從業(yè)人員在電機(jī)冷卻方案上的思考也正在從水冷逐步向油冷轉(zhuǎn)變。

2017年開(kāi)始相繼落地量產(chǎn)的Molde 3后驅(qū)電驅(qū)系統(tǒng)和Nidec 150kw電驅(qū)系統(tǒng)，不僅成為行業(yè)標(biāo)桿，更是點(diǎn)燃了一眾廠家對(duì)油冷電機(jī)的研發(fā)熱情。

不過(guò)同為標(biāo)桿，兩者的電機(jī)油冷方案卻不盡相同，由此帶來(lái)的定子固定方案也有所差異。今天就來(lái)聊一聊電機(jī)定子在電機(jī)殼體中的固定方式的選擇。

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油冷電機(jī)定子固定方案現(xiàn)狀

Tesla Molde 3采用的是定子鐵芯外圓與機(jī)殼過(guò)盈連接（后文簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)盈方案），此方案與水冷電機(jī)一致。Tesla Molde 3 最新的油冷扁線電機(jī)也是如此。

而Nidec采用的定子固定方案則是通過(guò)4顆長(zhǎng)螺栓穿過(guò)定子鐵芯外圓上的通孔，將定子軸向鎖緊在機(jī)殼上。

放眼于純電系統(tǒng)的油冷電機(jī)領(lǐng)域，除了Tesla和Nidec，還可以看到：

• GM 2016年發(fā)布的Bolt—采用螺栓固定方案
• 現(xiàn)代 2020年發(fā)布的E-GMP電驅(qū)——采用螺栓固定方案

而如果把目光轉(zhuǎn)向混動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域，電機(jī)定子的固定方式絕大部分都采用了螺栓方案。行業(yè)中的代表有：豐田THS、本田IMMD、GM Volt。豐田Prius，從 Gen1到Gen4，無(wú)論漆包線采用圓線還是扁線，定子固定方案都堅(jiān)定不移的走了螺栓固定方案。

看到這里，可能讀者會(huì)有以下兩個(gè)疑問(wèn)？

1. 為何在混動(dòng)油冷系統(tǒng)中，電機(jī)定子都不約而同選擇螺栓固定方案？
2. 純電油冷系統(tǒng)中的電機(jī)定子為何同時(shí)存在過(guò)盈和螺栓固定兩種方案，這兩種方案的優(yōu)劣各是什么？

試圖通過(guò)以下幾個(gè)維度來(lái)找到答案。

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機(jī)械可靠性

無(wú)論是過(guò)盈方案還是螺栓固定方案，都與定子在電機(jī)中的定位、固定相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，定子與電機(jī)殼體的配合需滿(mǎn)足軸向定位、徑向定位、防轉(zhuǎn)三個(gè)基本功能。

兩種方案的定子軸向定位都是通過(guò)殼體內(nèi)部的臺(tái)階定位面來(lái)實(shí)現(xiàn)，而螺栓固定方案會(huì)在定子鐵芯外圓開(kāi)有若干個(gè)螺栓過(guò)孔?？紤]到螺栓與通孔之間的裝配間隙以及螺紋孔在殼體中加工的位置度公差，其徑向定位精度稍遜于過(guò)盈方案。

考慮電磁力、機(jī)械振動(dòng)沖擊、溫度等因素的影響，定子與殼體的配合設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。

過(guò)盈方案，通常采用增加鐵芯與殼體之間的最小過(guò)盈量來(lái)提高可靠性。但考慮到兩者之間的溫差、材料不同膨脹系數(shù)等因素，仿真設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性得到挑戰(zhàn)。同時(shí)，在最大過(guò)盈量下還需平衡局部應(yīng)力與材料的機(jī)械性能。

過(guò)盈設(shè)計(jì)是常見(jiàn)的一種配合，但在油冷電機(jī)設(shè)計(jì)中會(huì)引出一些額外考慮點(diǎn)。比如，冷卻油是否會(huì)進(jìn)入到殼體與鐵芯之間降低兩者之間的摩擦系數(shù)？通過(guò)在定子鐵芯軛部油道走油是否會(huì)導(dǎo)致過(guò)盈連接的可靠性下降？

回到螺栓固定方案，原理是利用螺栓擰緊產(chǎn)生的摩擦力，來(lái)提供定子在各種條件下防轉(zhuǎn)所需的扭矩。理論上同樣可以通過(guò)加大螺栓規(guī)格、增加擰緊扭矩，來(lái)提高可靠性

但需要注意的是，螺栓鎖緊的固定方式，無(wú)論是在擰緊后還是在產(chǎn)品使用過(guò)程中，扭矩的衰減都不可避免。由此導(dǎo)致的軸向夾緊力下降，將會(huì)帶來(lái)定子打滑風(fēng)險(xiǎn)。定子鐵芯由無(wú)數(shù)“柔軟”的硅鋼片疊壓而成，這種軟連接所引發(fā)的螺栓扭矩衰減問(wèn)題需要慎重對(duì)待。因此螺栓的選型、防松方案以及擰緊工藝的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證顯得較為重要。

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冷卻

為了增加鐵芯部分的散熱能力，過(guò)盈方案（參考Tesla）選擇通過(guò)增加鐵芯徑向尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻油道的特征，而這將不可避免的增加一道熱阻。而螺栓方案則可以通過(guò)油管（Toyota）、淋油盤(pán)（Nidec）等輔件的設(shè)計(jì)，對(duì)鐵芯和繞組的特定部位進(jìn)行主動(dòng)冷卻，而且由于鐵芯和殼體之間允許存在間隙，鐵芯表面熱量將直接被冷卻油帶走。

此外，過(guò)盈方案為了讓冷卻油能夠順暢的通過(guò)整個(gè)電機(jī)油道系統(tǒng)，甚至以一定流速射出，從進(jìn)油到出油勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生較大的壓降，這對(duì)油泵能力提出了更高的要求。而螺栓方案的電機(jī)油路則相對(duì)“通暢”，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言負(fù)擔(dān)較小。

當(dāng)然，也可以看到過(guò)盈方案帶來(lái)的益處。由于鐵芯油道遍布定子表面，整個(gè)鐵芯、包括配合油環(huán)之后對(duì)繞組的冷卻相對(duì)較為均勻。

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NVH性能

首先來(lái)看電機(jī)的NVH性能。

電機(jī)振動(dòng)噪聲可分為三類(lèi)：機(jī)械噪聲、電磁噪聲、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲。其中，與定子相關(guān)的噪聲主要為電磁噪聲。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，其一部分來(lái)自電磁力（由于繞組在定子鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，使得定子鐵芯內(nèi)表面受到沿圓周方向分布的徑向電磁力），另一部分則來(lái)自于定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)耦合生產(chǎn)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，稱(chēng)為切向電磁力。在實(shí)際噪聲的情況中，往往前者占主導(dǎo)。

定子電磁力及模態(tài)

兩種固定方案最大的差異，即在于定子噪聲傳遞路徑的不同。過(guò)盈方案的定子通過(guò)鐵芯外表面與殼體配合，電磁力將直接傳遞到整個(gè)殼體上，最終通過(guò)懸置在整車(chē)形成響應(yīng)。而螺栓方案的定子與殼體的配合部分為殼體上的軸向定位面，并且兩者之間的圓周間隙切斷了電磁力的徑向傳遞路徑，這無(wú)疑對(duì)整機(jī)電磁噪聲的抑制起到了較好的作用。

其次，由于鐵芯外圈油孔的存在，過(guò)盈方案的定子在徑向上的剛度相對(duì)較差，給NVH設(shè)計(jì)帶來(lái)更高的難度。

工作狀態(tài)下，定子在交變的正弦磁場(chǎng)中由于磁致伸縮效應(yīng)（后文會(huì)提到），將引起尺寸上的不斷變化。通過(guò)下圖可以看到，隨著沿磁化方向的壓應(yīng)力值的增加，磁致伸縮量同步上升（其中λ=△l/l）。雖然其量級(jí)一般僅為10-6~10-5，但其對(duì)電機(jī)噪音的影響不應(yīng)忽視。

而上述情況在過(guò)盈方案中將更甚。因?yàn)橥ㄟ^(guò)計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)，過(guò)盈方案中鐵芯所受的徑向應(yīng)力基本上是大于螺栓方案的中鐵芯所受的軸向應(yīng)力的，并且繞組磁場(chǎng)主要分布于沖片的平面方向，而非厚度方向。

外加應(yīng)力下無(wú)取向電工鋼片磁致伸縮

同樣，螺栓固定方案中螺栓的選型和設(shè)計(jì)對(duì)NVH影響也較大。如果螺栓提供的軸向預(yù)緊力不足，定子所產(chǎn)生的電磁力將克服靜摩擦力，最終通過(guò)螺栓將噪聲傳遞到殼體。

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電機(jī)輸出性能

這里需要引入"磁彈耦合效應(yīng)"：磁性材料磁學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)相互關(guān)系的一種現(xiàn)象，包括磁致伸縮效應(yīng)和逆磁致伸縮效應(yīng)（也稱(chēng)磁彈效應(yīng)）。

前者定義為物體在受到外磁場(chǎng)作用時(shí)沿磁力線方向產(chǎn)生伸縮相對(duì)變形；后者定義為鐵磁材料在機(jī)械應(yīng)力的作用下，材料的磁性能發(fā)生變化。其與應(yīng)力的大小、磁場(chǎng)與應(yīng)力方向的夾角有關(guān)。

因此，可以理解過(guò)盈方案（鐵芯受徑向壓力）以及螺栓方案（鐵芯受軸向壓力）對(duì)硅鋼的磁性能的影響不盡相同。

為了更好的理解，引入另外一個(gè)概念：磁疇。

磁疇的產(chǎn)生機(jī)理不作詳解，可以簡(jiǎn)單理解為鐵磁體的內(nèi)部存在神奇的相互作用，會(huì)自發(fā)的形成許多磁化方向看似雜亂無(wú)章的小區(qū)域，這些區(qū)域即為磁疇。

在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，磁疇分布的方向混亂，遵循局部能量最小的原則，對(duì)外不顯磁性；加上外磁場(chǎng)后，能量最小的狀態(tài)發(fā)生改變，磁疇的大小及排列方式發(fā)生改變，并逐步朝著外磁場(chǎng)的方向被“捋直”，鐵磁體顯示強(qiáng)磁性。

磁疇分布

而每個(gè)磁疇又可以簡(jiǎn)單理解為一個(gè)小磁鐵。

磁疇示意

需要注意的是，磁性材料的應(yīng)力狀態(tài)與其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力沿著磁化方向拉伸時(shí)，磁疇也會(huì)沿著這個(gè)方向被拉伸，磁疇的數(shù)量、排列方式也會(huì)發(fā)生改變，從而對(duì)材料的導(dǎo)磁性能、損耗造成影響，引起電機(jī)輸出性能的變化。

電機(jī)設(shè)計(jì)通常選用無(wú)取向硅鋼作為導(dǎo)磁材料。但從硅鋼片的實(shí)際來(lái)料狀態(tài)來(lái)看，沿著不同方向上的性能本身存在一定差異。這是由于材料在不同方向上的應(yīng)力狀態(tài)不同所造成的磁疇狀態(tài)的差異導(dǎo)致。

下圖0°/180°為軋制方向，90°/270°為非軋制方向。顯然，無(wú)論是損耗還是磁感應(yīng)強(qiáng)度，軋制方向的性能都略勝一籌。

硅鋼不同方向軋制性能對(duì)比

筆者注意到，有不少研究者提到壓應(yīng)力將造成硅鋼片的磁性能下降，拉應(yīng)力則相反，但都沒(méi)有講清楚測(cè)試時(shí)應(yīng)力和磁化方向的關(guān)系。下表展示了不同應(yīng)力方向和磁場(chǎng)方向?qū)?dǎo)磁材料損耗的影響：同是壓應(yīng)力，與磁場(chǎng)方向的角度不同，對(duì)損耗的影響也不盡相同。

此外，也有研究表明：相同方向、大小的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力所引起的材料損耗變化程度不同，損耗升高的程度要遠(yuǎn)大于降低的程度。

磁疇狀態(tài)匯總

鐵磁材料的相對(duì)導(dǎo)磁率變化與應(yīng)力之間的關(guān)系如下。對(duì)于正磁致伸縮系數(shù)材料（如硅鋼）在受到壓力作用時(shí)，在作用力方向?qū)Т畔禂?shù)減小，而在作用力的垂直方向?qū)Т畔禂?shù)增大；當(dāng)作用力是拉力時(shí)，其效果相反。

△μ/μ=-（2λm/Bm2）·σμ

λm：材料的飽和磁致伸縮系數(shù)（其大小與材料的形變量、測(cè)試方向與磁化方向的角度有關(guān)）

Bm：材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度

σ：外加應(yīng)力

重新回到本文討論的主題。如采用過(guò)盈方案，硅鋼片在徑向方向受壓應(yīng)力，并且通過(guò)仿真可知，此應(yīng)力將主要集中在定子軛部，同時(shí)為了滿(mǎn)足機(jī)械上的要求，硅鋼片局部區(qū)域的應(yīng)力大小往往會(huì)達(dá)到100MPa以上。

而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，定子軛部的磁路以圓周方向?yàn)橹?，徑向方向?yàn)檩o。根據(jù)上述理論，筆者認(rèn)為較無(wú)應(yīng)力狀態(tài)定子，過(guò)盈方案的定子軛部鐵損將降低，電機(jī)的磁滯損耗和渦流損耗也將下降，輸出性能表現(xiàn)更佳。

鐵芯過(guò)盈仿真

這個(gè)結(jié)論可能與以往的認(rèn)知不同，歡迎大家提出不同意見(jiàn)。另外，在相同的過(guò)盈條件下，硅鋼片在軋制、非軋制方向的磁性能表現(xiàn)也是不同，可以結(jié)合定子鐵芯的制造工藝來(lái)思考這個(gè)問(wèn)題。

而采用螺栓方案，硅鋼片在軸向方向受壓應(yīng)力。厚度方向壓應(yīng)力對(duì)材料磁性能的影響如下。

隨著應(yīng)力增大，材料在不同方向上的導(dǎo)磁率都將下降，渦流損耗也將明顯增加，非軋制方向的磁滯損耗增量很小，軋制方向的磁滯損耗上升較快。

基于上述分析，這就造成了其整體方案下的硅鋼片實(shí)際性能不如過(guò)盈方案（僅考慮裝配應(yīng)力）。

需要注意的是，軸向壓應(yīng)力并不是均勻分布于整個(gè)定子鐵芯表面，而是呈現(xiàn)出螺栓連接位置處局部應(yīng)力較大其余位置較小的狀態(tài)，而螺栓過(guò)孔就如過(guò)盈方案的外圈油道一樣，對(duì)于電磁性能來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作為冗余考慮。因此，雖然螺栓方案下的硅鋼片損耗和導(dǎo)磁性能有惡劣的趨勢(shì)，實(shí)際影響又或許沒(méi)有想象中的那么大。

經(jīng)過(guò)這一塊的對(duì)比分析，大家可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)方案的不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)電機(jī)性能的影響，很難定量的給出一個(gè)結(jié)論。因?yàn)椴煌呐浜显O(shè)計(jì)、電磁方案、鐵芯的工藝、實(shí)際溫度等等，都會(huì)對(duì)硅鋼片的實(shí)際磁性能、電機(jī)的實(shí)際輸出性能造成不同程度的影響。這也是為什么常常電磁仿真（尤其是損耗）與實(shí)際情況差距較大的重要原因之一。

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工藝、成本思考

為了實(shí)現(xiàn)過(guò)盈方案中定子鐵芯上的冷卻油道，在沖壓模具、疊壓工藝的設(shè)計(jì)、制造上顯然會(huì)更復(fù)雜，并且工藝對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的限制也會(huì)更多。量產(chǎn)后的節(jié)拍也不如螺栓方案。這一塊的工藝成本相對(duì)略高。

殼體的制造工藝上，兩者相差不大。

電驅(qū)系統(tǒng)的裝配工藝，無(wú)論是樣件階段還是量產(chǎn)階段，螺栓固定方案存在較大優(yōu)勢(shì)。前者需要一套加熱系統(tǒng)+定位系統(tǒng)+壓裝系統(tǒng)+冷卻系統(tǒng)，效率低，返修時(shí)的便利性也不佳；而后者可在冷態(tài)下操作，采用一套定位系統(tǒng)+螺栓擰緊工位即可滿(mǎn)足，工藝成本的優(yōu)勢(shì)較為明顯。

結(jié)束語(yǔ)：

從定子固定方案的角度出發(fā)，在機(jī)械、冷卻、性能、工藝成本幾個(gè)不同的維度進(jìn)行了分析和分享。