一種高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

柯其銳

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲412001）

1 引 言

相對電勵(lì)磁異步電機(jī)而言，永磁電機(jī)在弱磁控制前運(yùn)行區(qū)間，其運(yùn)行效率更高，整機(jī)功率密度更大；另外，相對電勵(lì)磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、總成工藝性更好，所以在國內(nèi)新能源汽車領(lǐng)域，永磁電機(jī)占據(jù)了最大的市場比重[1][2]。

新能源汽車領(lǐng)域永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般分為表面凸出式、表面嵌入式以及內(nèi)置式三種[3]。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)防護(hù)性以及對磁鋼抗機(jī)械沖擊性更好，但其漏磁系數(shù)一般比表面凸出式、表面嵌入式高，因?yàn)榍度胧礁舸艠蚣安糠旨訌?qiáng)筋處會(huì)比凸出式有更大的漏磁，且內(nèi)置式短路抗去磁能力更強(qiáng)，也是因?yàn)殡姌写艌鰰?huì)有部分從嵌入式隔磁橋處通過。針對新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般弱磁范圍較寬的特點(diǎn)，嵌入式也更有優(yōu)勢，基于以上分析，且考慮到表貼式工藝性較嵌入式差，組裝自動(dòng)化程度也不如嵌入式好，故本文涉及電機(jī)研制項(xiàng)目選擇了內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行具體永磁同步電機(jī)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在達(dá)到電機(jī)特性需求、沖片沖壓工藝及轉(zhuǎn)子鐵心疊壓工藝要求的前提下，需平衡電機(jī)電磁性能以及沖片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。隔磁橋厚度過大，漏磁會(huì)增大，電機(jī)反電動(dòng)勢降低，抗去磁能力也有所減弱[4]，由于磁鋼成本高，電機(jī)設(shè)計(jì)將不經(jīng)濟(jì)；隔磁橋厚度過小，一則會(huì)縮短復(fù)沖模模具壽命，二則沖片在高速旋轉(zhuǎn)磁鋼離心力、電磁力以及電機(jī)整機(jī)沖擊振動(dòng)運(yùn)行工況下，易發(fā)生材料屈服乃至斷裂，從而導(dǎo)致電機(jī)掃膛等質(zhì)量事故[4]。

在本文高速電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對其影響轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度的幾個(gè)關(guān)鍵部位：連接筋、減重孔，過盈量、隔磁橋?qū)挾?、永磁體槽倒角，進(jìn)行了有限元仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過合理設(shè)計(jì)保證高速轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和電機(jī)電磁性能滿足要求，并留一定安全裕度，確保電機(jī)在實(shí)際使用工況下運(yùn)行的可靠性。仿真分析的結(jié)論得到驗(yàn)證試驗(yàn)的有力支撐，試驗(yàn)樣機(jī)U 型轉(zhuǎn)子拓?fù)浞桨高\(yùn)用ansoft 電磁場分析軟件對其最大去磁工作點(diǎn)進(jìn)行校核，確保試驗(yàn)過程中不失磁，能順利開展驗(yàn)證。電機(jī)電磁性能計(jì)算，也是運(yùn)用ansoft 電磁場分析軟件，確保最終優(yōu)化的新型V 型轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)磁密分布合理、滿足溫升限制、整機(jī)特性等用戶需求。

2 樣機(jī)ANSYS 強(qiáng)度分析

試驗(yàn)樣機(jī)U 型槽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，有限元仿真分析采用的是workbench 靜應(yīng)力分析模塊static structural，項(xiàng)目建立了合理的高速電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片靜應(yīng)力仿真分析方法，定量分析永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片應(yīng)力大小和分布[5][6]，通過應(yīng)力分布云圖找出潛在的危險(xiǎn)部位，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)指明方向；在同時(shí)校核電機(jī)電磁性能的條件下，對該高速電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，降低整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片的應(yīng)力水平。

沖片材料物理性能見下表：

表1 沖片材料性能

網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格控制為平行六面體網(wǎng)格；確保隔磁橋、磁鋼槽之間的筋等薄壁處網(wǎng)格數(shù)目為三層以上，該數(shù)目經(jīng)過網(wǎng)格收斂性判定；有限元模型建立如下圖[7]：

圖1 有限元模型

強(qiáng)度仿真載荷與邊界條件的設(shè)置，由于軸向力影響小故忽略，約束轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸表面，釋放徑向自由度，約束切向以及軸向的自由度；施加最高轉(zhuǎn)速為9000rpm 的慣性載荷；將磁鋼的作用力，根據(jù)向心力公式，計(jì)算出相應(yīng)壓強(qiáng)加載到磁鋼槽相應(yīng)作用力面上；施加電機(jī)扭矩載荷、單邊磁拉力載荷、以及滿足國標(biāo)的振動(dòng)沖擊載荷。

另外，由于大量仿真分析與工程生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)合表明：對于內(nèi)外徑相差不大的沖片，尤其是過盈配合面離沖片減重孔、磁鋼槽的距離小的沖片；過盈對沖片強(qiáng)度的影響不能忽略，過盈同電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁鋼作用力、振動(dòng)沖擊一樣，都是影響強(qiáng)度的主要因素之一，且過盈配合面離沖片減重孔、磁鋼槽的距離越近，影響越大。故本輪仿真考慮轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子鐵心的過盈量。

以下仿真結(jié)果為對下列參數(shù)：連接筋厚度、減重孔形狀及位置，過盈量、隔磁橋?qū)挾取⒂来朋w槽倒角多輪優(yōu)化后最小應(yīng)力值U 型槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，針對該結(jié)構(gòu)對比了最大過盈及平均過盈(平均過盈取最大過盈的一半)兩種情形下，1 倍最高轉(zhuǎn)速、1.1 倍最高轉(zhuǎn)速以及1.13 倍最高轉(zhuǎn)速應(yīng)力、變形云圖：

圖2 最大過盈9000

圖3 最大過盈9900

圖4 平均過盈9000

圖5 平均過盈9900

圖6 平均過盈10200

圖7 平均過盈9900

表2 優(yōu)化后U 型槽沖片強(qiáng)度

由于實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)軸配合過盈接近平均過盈，這里著重對平均過盈量下強(qiáng)度仿真計(jì)算進(jìn)行分析：

（1）隔磁橋處。9000rpm 沖片隔磁橋最大等效應(yīng)力405MPa，未達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，9900rpm 沖片隔磁橋最大等效應(yīng)力493MPa，材料屈服，但未達(dá)到抗拉強(qiáng)度。

（2）短磁鋼槽處。10200rpm 沖片小磁鋼安裝槽下方局部應(yīng)力436MPa，未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度值。

（3）長磁鋼槽處。10200rpm 沖片長磁鋼安裝槽下方局部應(yīng)力582MPa，達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度值。

（4）腰形孔處。9000rpm 沖片腰形孔倒角局部最大等效應(yīng)力458MPa，達(dá)到屈服強(qiáng)度（屈服457MPa），低于抗拉強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度574MPa)90MPa左右。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為固化仿真計(jì)算流程，需對以上仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為保證試驗(yàn)在既定載荷工況下順利進(jìn)行，特對該轉(zhuǎn)子強(qiáng)度最優(yōu)方案進(jìn)行了去磁校核。

圖8 電機(jī)去磁磁場強(qiáng)度

磁鋼去磁磁場強(qiáng)度為-973.4kA/m，小于Sm－Co30H 的拐點(diǎn)磁場強(qiáng)度976kA/m，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行不會(huì)發(fā)生退磁。

電機(jī)在9000rpm、9900rpm 以及10200rpm 三個(gè)轉(zhuǎn)速工況下開展驗(yàn)證試驗(yàn)：

（1）電機(jī)在9000rpm 運(yùn)行10min 后解體，電機(jī)轉(zhuǎn)子未出現(xiàn)任何異常。

（2）電機(jī)在9900rpm 運(yùn)行10min 后解體，發(fā)現(xiàn)電機(jī)隔磁橋處發(fā)生屈服。

圖9 9900rpm 隔磁橋處屈服

（3）電機(jī)加速過程中，運(yùn)行到10200r/min，1.13倍最高轉(zhuǎn)速下，電機(jī)異響，試驗(yàn)中斷，停機(jī)后，測量繞組絕緣電阻為0，轉(zhuǎn)子無法盤動(dòng)。解體后發(fā)現(xiàn)8 極轉(zhuǎn)子中1 處隔磁橋斷裂。

圖10 10200rpm 隔磁橋處斷裂

通過上述三輪試驗(yàn)表明：仿真結(jié)果同試驗(yàn)現(xiàn)象高度一致，由此可以得出結(jié)論：永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度采用以上仿真計(jì)算流程是可靠的，能真實(shí)反應(yīng)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)子沖片的應(yīng)力分布。

4 槽型優(yōu)化

在得到可靠性固化仿真計(jì)算流程后，為提升沖片安全裕度而進(jìn)行了下一輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由于原方案槽型優(yōu)化在技術(shù)設(shè)計(jì)階段已做到極致，優(yōu)化空間不大。為此需進(jìn)一步優(yōu)化槽型，本文對更換U 型槽方案，對新型單V 型槽型進(jìn)行了強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)，以下新型單V 型槽結(jié)構(gòu)方案皆是在滿足電機(jī)性能要求的前提下進(jìn)行。

優(yōu)化仍舊主要針對下面幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行：磁鋼大小、磁鋼角度、隔磁橋、筋厚度、應(yīng)力集中處倒角值等。

圖11 2.2_7.6_R3_35

圖12 _2.2_7_R6_35

圖13 2.2_7_0.0855_R6_35

圖14 2.2_6_0.0855_R7_34

圖15 2_5_0.0855_36*22.8

結(jié)果列表：

最大應(yīng)力值MPa方案 隔磁橋處MPa a)隔磁橋厚度分別為2.2 和7.6；下部倒角R3；9000rpm；無過盈，磁鋼大小34*19.8 246 628 b)隔磁橋厚度分別為2.2 和7；下部倒角R6；9000rpm；無過盈，磁鋼大小34*19.8 396 241 c)隔磁橋厚度分別為2.2 和7.6；下部倒角R6；9000rpm；考慮過盈，磁鋼大小34*19.8 411 252 d)隔磁橋厚度分別為2.2 和6；下部倒角R7；9000rpm；考慮過盈，磁鋼大小34*19.8 399 245 e) 隔磁橋厚度分別為2 和5；下部倒角R8；9000rpm；考慮過盈；磁鋼大小為32.5*19.8 367 270

（1）方案應(yīng)力最大值為628MPa，出現(xiàn)在靠近內(nèi)圓的隔磁橋的圓角處。

（2）方案將磁鋼槽下部圓角由R3 增大到R6，應(yīng)力最大值為396MPa，位置同上。

（3）方案較之增加過盈量0.0855 載荷，應(yīng)力最大值為411MPa，位置同上。

（4）的隔磁橋厚度分別為2.2 和6，將下部圓角由R3 增大到R7，磁鋼減短1mm，應(yīng)力最大值為399MPa，位置同上。

（5）的隔磁橋厚度分別為2 和5，R7 增大為R8，磁鋼大小36×22.8，為調(diào)整合適的交直軸電感，將磁鋼槽最低點(diǎn)抬高，應(yīng)力最大值為367MPa，出現(xiàn)在靠近內(nèi)圓的隔磁橋的圓角處。

以上分析表明，新型單V 型槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，隔磁橋處應(yīng)力相對U 型槽結(jié)構(gòu)大幅降低，V 型槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大處位于磁鋼槽V 形頂點(diǎn)交匯倒角處，增加兩磁鋼槽中間筋厚度、增大倒角半徑能有效降低該處應(yīng)力值，但從電磁仿真結(jié)果來看，增大倒腳半徑對電磁性能影響小，但進(jìn)一步增加兩磁鋼槽中間筋厚度增厚，漏磁變大，反電動(dòng)勢降低，電流變大，電機(jī)溫升增高。經(jīng)由流體計(jì)算表明該方案溫升裕度已經(jīng)很小。

綜合以上方案，電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度最佳方案為方案e），該方案雖然磁鋼用量較之前面4 個(gè)方案少，但由于該方案通過對V 型夾角調(diào)整來對轉(zhuǎn)子交直軸電感進(jìn)行了調(diào)節(jié)，增大了永磁電機(jī)的凸機(jī)率，電機(jī)電磁計(jì)算表明：該方案，電機(jī)在額定點(diǎn)，電流低于上述4 個(gè)方案，額定點(diǎn)銅耗略低于原方案，電機(jī)額定點(diǎn)功率因數(shù)基本與原方案相當(dāng)，電機(jī)效率略高，最終電機(jī)設(shè)計(jì)采用的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為方案e）。

5 結(jié) 論

本文運(yùn)用ANSYS 靜應(yīng)力模塊，對電機(jī)兩種槽性進(jìn)行了強(qiáng)度結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其中對一種U 型槽結(jié)構(gòu)制造了相應(yīng)樣機(jī)，并進(jìn)行比對驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果較好的反應(yīng)了仿真分析結(jié)論。新型V 型槽結(jié)構(gòu)較大的降低了電機(jī)隔磁橋處應(yīng)力，兩種槽性電磁性能皆采用ansoft 軟件進(jìn)行仿真分析，其電氣參數(shù)仿真結(jié)果同試驗(yàn)值也能較好吻合。

本文運(yùn)用的高速電機(jī)沖片強(qiáng)度仿真分析方法切實(shí)可行，試驗(yàn)比對后固化的等效與設(shè)置可以滿足工程化生產(chǎn)要求。