新能源汽車用電機(jī)模態(tài)有限元分析

張鎮(zhèn) 薛勇 周文 翁旭 喻皓

摘 要：本文通過有限元仿真分析獲取定子鐵芯橫觀各向同性材料參數(shù)。通過對電機(jī)定子、繞組和殼體等部件合理的假設(shè)簡化及等效，建立整機(jī)有限元模型并計(jì)算整機(jī)狀態(tài)下定子固有頻率。通過錘擊法模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證有限元仿真的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析;驅(qū)動(dòng)電機(jī);定子材料等效;模態(tài)試驗(yàn)

1 引言

作為新能源汽車“三電系統(tǒng)”的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)電機(jī)朝著小型化、輕量化、高速、高功率密度、高效率的方向發(fā)展，導(dǎo)致電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)較薄化，易產(chǎn)生振動(dòng)噪聲問題[1]。振動(dòng)噪聲會引起電機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞損壞，降低整車舒適性，引起市場抱怨，進(jìn)而降低產(chǎn)品競爭力。因此，解決電機(jī)振動(dòng)噪聲問題成為近年來國內(nèi)研究的熱點(diǎn)。

電機(jī)運(yùn)行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結(jié)構(gòu)固有頻率接近時(shí)會引起共振，進(jìn)而產(chǎn)生電磁噪聲[2]。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結(jié)構(gòu)固有頻率錯(cuò)開。因此，為準(zhǔn)確預(yù)測和抑制整機(jī)電磁噪聲，需要準(zhǔn)確計(jì)算分析定子固有頻率及其模態(tài)特性。

文獻(xiàn)[3]利用解析法計(jì)算電機(jī)定子固有頻率。文獻(xiàn)[4]提出繞組簡化模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[5]分析在不同繞組固定工藝和殼體散熱筋結(jié)構(gòu)下定子振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率，得出加固繞組和采用周向散熱筋結(jié)構(gòu)能夠提高定子振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的結(jié)論。文獻(xiàn)[6]采用各向異性材料對爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行分析，得到與試驗(yàn)基本一致的結(jié)果。文獻(xiàn)[7] 基于ANSYS軟件分析電機(jī)在復(fù)雜邊界條件下模態(tài)特性，并通過模態(tài)試驗(yàn)對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

本文基于Hypermesh有限元軟件建立新能源汽車用永磁同步電機(jī)模型進(jìn)行模態(tài)分析，其參數(shù)指標(biāo)如表1：

2 模態(tài)分析有限元模型建立

2.1 定子鐵芯等效

為減小渦流損耗，提高電機(jī)效率，定子鐵芯通常不采用實(shí)體結(jié)構(gòu)，而是由多個(gè)帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結(jié)構(gòu)并不是一個(gè)材料連續(xù)的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。

文獻(xiàn)[8][9]通過將異步電機(jī)定子鐵芯離散成8個(gè)相同的單元體，單元體間通過耦合的方式建立有限元模型模擬電機(jī)鐵芯疊片結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[10]通過超聲波脈沖設(shè)備測得開關(guān)磁阻電機(jī)鐵芯彈性模量為1.52E5MPa。文獻(xiàn)[11]將定子鐵芯視為各向異性材料，通過仿真與試驗(yàn)結(jié)合的方式獲取材料參數(shù)。

為便于計(jì)算求解，本文采用實(shí)體等效定子鐵芯疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模：實(shí)體模型平面特征與單個(gè)硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。等效后的材料視為橫觀各向同性材料即疊片平面內(nèi)（x-y平面）視為各向同性材料，與疊片平面正交的軸向（z方向）剛度不同。等效后實(shí)體密度為鐵芯實(shí)際重量與模型體積的比值。定子材料參數(shù)有限元等效過程：在兩個(gè)相鄰硅鋼片疊片平面取單位面積的幾何作為分析對象，將疊壓過程縮短的長度平均分配到每個(gè)硅鋼片作為強(qiáng)制位移載荷，并把壓縮變形后狀態(tài)作為材料參數(shù)計(jì)算的初始狀態(tài)。分別在X、Y、Z單一方向上施加單位載荷，另外兩個(gè)方向施加對稱邊界條件，求解材料變形。由材料力學(xué)計(jì)算公式求解彈性模量，泊松比，式中F為x方向加載力，A為載荷作用面積，Lx為分析對象在x方向長度，Δx為x方向變形量，εx和εy為x方向和y方向的應(yīng)變;根據(jù)橫觀各向同性材料彈性模量E、泊松比PR及剪切模量G之間的關(guān)系：Ex=Ey=Ep，PRzx=PRzy=PRnp，PRxz=PRyz=PRpn，Gxz=Gyz=Gn，=和Gp=進(jìn)行材料參數(shù)求解。

2.2 繞組等效

早期研究認(rèn)為由于繞組與定子間有槽絕緣紙的存在，繞組與定子非固定連接，僅考慮繞組質(zhì)量對定子模態(tài)的影響。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)繞組對模態(tài)不僅提供質(zhì)量而且還有剛度的貢獻(xiàn)[12][13]。

由于實(shí)際繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模困難并且繞組材料參數(shù)受槽滿率、浸漆等生產(chǎn)工藝因素影響較大。為便于模型處理與計(jì)算，本文繞組簡化模型簡化如下：（1）采用直導(dǎo)體代替槽內(nèi)多匝電磁線，僅建立槽內(nèi)有效長度模型;（2）端部繞組質(zhì)量平均分配在槽內(nèi)繞組上，忽略端部繞組剛度的影響;（3）等效后繞組與定子緊密接觸，按照網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)處理;（4）等效后繞組密度為預(yù)估銅線重量與等效繞組體積的比值;（5）等效后繞組視為各向同性材料，等效后繞組彈性模量根據(jù)純銅及鋼彈性模量按照槽滿率和槽與定子齒面積之比近視折算。基于以上假設(shè)，建立的定子及繞組有限元模型如圖一。

2.3 殼體建模

由于殼體及端蓋上加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)對整機(jī)模態(tài)貢獻(xiàn)較大，模態(tài)分析時(shí)不能忽略，需建立完整的模型。同時(shí)為了簡化計(jì)算，忽略殼體及端蓋上對整機(jī)模態(tài)影響較小的倒角、圓角等細(xì)小特征。本文在分析整機(jī)模態(tài)時(shí)考慮定子與機(jī)殼過盈量。建立整機(jī)有限元模型見圖2，表2為模態(tài)分析有限元仿真參數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

整機(jī)自由模態(tài)振型主要包含端蓋模態(tài)、機(jī)殼模態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)及定子模態(tài)。其中定子低階徑向振動(dòng)模態(tài)易被電磁力激勵(lì)激起引起電磁振動(dòng)噪聲。整機(jī)狀態(tài)下分析計(jì)算定子二階同相位模態(tài)頻率588HZ 、三階同相位模態(tài)頻率1523HZ、四階同相位模態(tài)頻率2760HZ，圖3為各階模態(tài)振型。

4 試驗(yàn)?zāi)B(tài)

采用LMS SCADS 信號采集與分析系統(tǒng)對樣機(jī)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。將樣機(jī)置于彈性塑料墊上，在樣機(jī)中部周向布置36個(gè)激振點(diǎn)，采用錘擊法進(jìn)行測試。為確保測試信號的可靠性，減小測試過程中的敲擊誤差及信號干擾，對同一測試點(diǎn)多次敲擊并對產(chǎn)生的信號取平均。圖4為試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型圖。表3為仿真與實(shí)測結(jié)果比較。

通過表三可以看出仿真與試驗(yàn)結(jié)果偏差在5%以內(nèi)，說明仿真與實(shí)測結(jié)果基本吻合，具有較高的置信度。

5 結(jié)論

本文以新能源汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對象，通過對定子鐵芯材料等效計(jì)算及電機(jī)結(jié)構(gòu)簡化，進(jìn)行整機(jī)自由模態(tài)有限元分析。經(jīng)對比仿真與整機(jī)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

1.將鐵芯疊片結(jié)構(gòu)視為橫觀各向同性材料并通過有限元方法計(jì)算材料參數(shù)，為準(zhǔn)確分析電機(jī)模態(tài)特性及NVH性能預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

2.整機(jī)定子系統(tǒng)仿真與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果偏差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了本文提出模型簡化等效方法的合理性及仿真的準(zhǔn)確性。

基金支持：廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（編號：2019B090909001）

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