朱鄭喬若,金鑫君
(衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 衢州 324000)
轉(zhuǎn)子總成是新能源汽車電機(jī)的核心零件,電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性主要取決于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的多樣性。在高速旋轉(zhuǎn)下的轉(zhuǎn)子,提供足夠的動(dòng)力驅(qū)使減速器,對轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)是滿足機(jī)械,強(qiáng)度,剛度方面的極限要求[1-2],能夠保證在電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能穩(wěn)定的工作,振動(dòng)小,不被破壞;同時(shí)高速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子受到強(qiáng)大的離心力作用,使得電機(jī)軸和轉(zhuǎn)子沖片發(fā)生形變,呈現(xiàn)非線性接觸[3],為此必須要對電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。
隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷提高,有限元理論的深入研究。NX、ANSYS、ABQUS等三維建模和有限元軟件在汽車工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,利用已有的軟件對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行理論計(jì)算和強(qiáng)度分析[4-5],縮短研發(fā)周期,并給設(shè)計(jì)人員提供了有力的依據(jù)。
以某新能源汽車電機(jī)轉(zhuǎn)子為研究對象,在15000 rmp、轉(zhuǎn)矩350 Nm作用下,建立電機(jī)轉(zhuǎn)子受力計(jì)算模型,計(jì)算電機(jī)軸的最大剪切應(yīng)力、撓度、強(qiáng)度以及安全系數(shù);電機(jī)軸與轉(zhuǎn)子的接觸應(yīng)力計(jì)算。借助有限元的方法完成上述仿真分析。
對于高速永磁電機(jī)而言,轉(zhuǎn)子需要滿足機(jī)械強(qiáng)度要求,由于轉(zhuǎn)子離心力大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比,轉(zhuǎn)子半徑的平方成正比,因此在15000 rmp高轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)子承受強(qiáng)大的離心力作用,為了減小離心力的作用在滿足旋轉(zhuǎn)磁場的前提下盡可能的減小轉(zhuǎn)子的半徑。經(jīng)過初步方案設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)子沖片采用硅鋼,轉(zhuǎn)子外圈半徑為135 mm,轉(zhuǎn)子沖片總高度為140 mm,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速15000 rmp,轉(zhuǎn)矩 350 Nm,重量 15 kg,加速度為10 g。以此為基礎(chǔ)做深入研究。通過有限元仿真進(jìn)行分析,如圖1所示電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
圖2為電機(jī)軸三維數(shù)模,電機(jī)軸材料為20CrMnTi,彈性模量為2.12×105MPa,泊松比為0.289,剪切強(qiáng)度為460~512 MPa。仿真分析工況根據(jù)設(shè)計(jì)要求,工況1對電機(jī)軸施加350 Nm的轉(zhuǎn)矩仿真,工況2對電機(jī)軸的偏心質(zhì)量在15000 rmp轉(zhuǎn)速下受到離心力以及轉(zhuǎn)子質(zhì)量在10 g加速度共同作用下的撓度分析。
圖1 轉(zhuǎn)子總成結(jié)構(gòu)
圖2 電機(jī)軸三維數(shù)模
圖3為電機(jī)軸網(wǎng)格模型,電機(jī)軸采用一階六面體單元C3D8進(jìn)行網(wǎng)格劃分,整體網(wǎng)格尺寸為2mm。
圖3 電機(jī)軸網(wǎng)格模型
根據(jù)第四強(qiáng)度理論,工況1分析結(jié)果中電機(jī)軸的最大剪切應(yīng)力不應(yīng)該超過材料的剪切強(qiáng)度并且安全系數(shù)應(yīng)該大于1.5;根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊相關(guān)規(guī)定,工況2分析的結(jié)果中電機(jī)軸的撓度應(yīng)該小于氣隙的0.1。如圖4,5為工況1和2的應(yīng)力和位移云圖。
圖4 工況1仿真分析
根據(jù)工況1的分析結(jié)果,再轉(zhuǎn)矩350Nm作用下,電機(jī)軸的最大剪切應(yīng)力為180MPa,安全系數(shù)為2.56~2.84之間,如表1所示。
表1 工況1分析結(jié)果
圖5 工況2仿真分析
根據(jù)工況2的分析結(jié)果,在偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心力和轉(zhuǎn)子質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力共同作用下電機(jī)軸的最大形變量為5.4×10-4mm,遠(yuǎn)小于判斷標(biāo)準(zhǔn)的0.07 mm,如表2所示。
表2 工況2分析結(jié)果
電機(jī)軸的強(qiáng)度仿真結(jié)果誤差控制在10%以內(nèi),滿足強(qiáng)度要求,驗(yàn)證電機(jī)軸的設(shè)計(jì)滿足工作要求。
在高速旋轉(zhuǎn)下,考慮轉(zhuǎn)子沖片受到較大的離心力作用,需要對轉(zhuǎn)子鐵芯進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析,轉(zhuǎn)子鐵芯如圖6所示:
圖6 轉(zhuǎn)子鐵芯沖片模型
考慮高速情況下,對轉(zhuǎn)子鐵芯的離心力作用,將工況設(shè)置為15000rmp和15000rmp×1.2。
考慮模型的計(jì)算速度問題,模型采用1/2進(jìn)行建模計(jì)算,添加磁鋼高速情況下對轉(zhuǎn)子鐵芯的離心作用,將轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)圈進(jìn)行固定,并對關(guān)注區(qū)的位置進(jìn)行細(xì)化。網(wǎng)格劃分如圖7所示。
圖7 網(wǎng)格劃分
轉(zhuǎn)子鐵芯采用的材料為屈服強(qiáng)度600MPa高強(qiáng)度材料,極限轉(zhuǎn)速為15000rmp和18000rmp。轉(zhuǎn)子鐵芯的仿真分析結(jié)果如圖8所示。
圖8 轉(zhuǎn)子鐵芯仿真分析結(jié)果
根據(jù)仿真分析結(jié)果,在15000rmp和18000rmp工況下,安全系數(shù)分別為1.87和1.3,滿足工作要求,如表3所示。
表3 分析結(jié)果
轉(zhuǎn)子總成各個(gè)零部件的強(qiáng)度仿真結(jié)果滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求,之后需要對轉(zhuǎn)子總成的強(qiáng)度分析。材料相關(guān)屬性如表4所示。
表4 材料相關(guān)屬性
由于電機(jī)軸與轉(zhuǎn)子沖片均為對稱結(jié)構(gòu),因此可以采用1/4模型進(jìn)行仿真分析,如圖9所示,電機(jī)軸與轉(zhuǎn)子均采用一階六面體單元C3D8進(jìn)行網(wǎng)格劃分,電機(jī)軸為2mm,轉(zhuǎn)子沖片的網(wǎng)格尺寸為1mm。
圖9 轉(zhuǎn)子網(wǎng)格模型
采用1/4模型進(jìn)行仿真,在對稱面上分別施加對稱約束,并對電機(jī)軸與轉(zhuǎn)子沖片施加軸向位移約束,如圖10所示。
圖10 邊界條件設(shè)置
電機(jī)軸與轉(zhuǎn)子沖片在單邊初始過盈量為0.012mm作用下的應(yīng)力云圖和表面接觸應(yīng)力如圖11所示:
圖11 轉(zhuǎn)子總成仿真分析結(jié)果
根據(jù)仿真分析結(jié)果,在電機(jī)軸與轉(zhuǎn)子過盈量0.012 mm作用下,電機(jī)軸與轉(zhuǎn)子沖片之間所傳遞的最大扭矩590 Nm,按照轉(zhuǎn)矩350 Nm作為依據(jù),其安全系數(shù)為1.68,分析結(jié)果如表5所示。
表5 分析結(jié)果
由分析結(jié)果安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。
通過對新能源汽車高速電機(jī)轉(zhuǎn)子總成的強(qiáng)度分析,驗(yàn)證轉(zhuǎn)子總成結(jié)構(gòu)的合理性。采用NX軟件對轉(zhuǎn)子總成的三維建模,考慮到轉(zhuǎn)子總成由電機(jī)軸和轉(zhuǎn)子沖片組合,利用ANASY軟件對轉(zhuǎn)子總成的各個(gè)零部件強(qiáng)度分析,最后對轉(zhuǎn)子總成進(jìn)行強(qiáng)度分析,最終驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。