電驅(qū)動總成轉(zhuǎn)子的仿真分析與優(yōu)化

□ 杜躍斐 □ 方瑋祎

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

近年來,隨著新能源汽車技術(shù)的不斷成熟和國家政策的支持,新能源汽車逐漸得到了普及和使用。電驅(qū)動總成是為新能源汽車提供動力的核心部件,隨著整車性能的不斷提高,電驅(qū)動總成朝著高效率、高轉(zhuǎn)矩、高功率密度、高集成度方向發(fā)展。隨著人們對駕駛體驗要求的逐漸提升,可靠性、安全性成為整車企業(yè)重點關(guān)注的問題。在車輛實際運行中,電機轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速接近20 000 r/min,高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子提供了足夠的動力來驅(qū)動減速器,同時必須保證電機在高速下平穩(wěn)運轉(zhuǎn),這對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在機械、強度、剛度等力學(xué)特性方面提出了極高的要求。通過轉(zhuǎn)子的受力分析可知,高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子受到強大的離心力作用,離心力的大小隨著旋轉(zhuǎn)角速度的變化而變化,使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生變形。因此,在研發(fā)階段就需要對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機械強度進行計算與校核,確保安全性。

近年來,很多科研人員和工程技術(shù)人員在電驅(qū)動總成轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能方面進行研究和探索。朱鄭喬若等[1]以某款新能源車電機為例,利用Unigraphics NX軟件對電機軸和轉(zhuǎn)子建模,并導(dǎo)入ANSYS軟件,在特定條件下對轉(zhuǎn)子進行有限元仿真分析,為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供依據(jù)。馬琳等[2]借助仿真軟件,模擬高速驅(qū)動電機的力學(xué)性能,并通過對比不同結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子離心力的影響,分析轉(zhuǎn)子離心力的影響因素。屈新田等[3]對某電動車的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子進行結(jié)構(gòu)強度分析,針對強度分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化,優(yōu)化后減重18.8%。仿真和試驗結(jié)果表明,優(yōu)化后轉(zhuǎn)子各項性能指標滿足設(shè)計要求。劉蘭艷等[4]應(yīng)用SolidWorks軟件建立超聲電機柔性轉(zhuǎn)子三維模型,并應(yīng)用ANSYS軟件進行模態(tài)分析,研究結(jié)果為轉(zhuǎn)子及電機本體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。此外,文獻[5-10]在高速永磁同步電機轉(zhuǎn)子強度方面進行了仿真分析。

筆者基于自主開發(fā)的電驅(qū)動總成轉(zhuǎn)子進行仿真分析與優(yōu)化,利用數(shù)值仿真軟件進行三維仿真和二維仿真,驗證二維仿真模型的有效性和高效性,并在二維模型的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改進,為產(chǎn)品性能提升提供指導(dǎo)和建議。

2 計算模型

2.1 幾何模型

電驅(qū)動總成轉(zhuǎn)子三維模型如圖1所示。在電機高速運轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要承受離心力、電磁力、永磁體吸引力的作用。研究結(jié)果表明,離心力是影響轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度的主要因素。因此,在進行轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度分析時,主要考慮轉(zhuǎn)子在離心力作用下的結(jié)構(gòu)強度。

▲圖1 電驅(qū)動總成轉(zhuǎn)子三維模型

2.2 載荷工況分析

施加載荷情況如下:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為19 000 r/min,產(chǎn)生的離心力載荷轉(zhuǎn)換為角速度后施加在模型上,角速度為1 989.7 rad/s。轉(zhuǎn)子上相嵌著磁鋼。轉(zhuǎn)子材料為硅鋼,等效密度為7 800 kg/m3,彈性模量為169 GPa,泊松比為0.26。磁鋼材料為釹鐵硼,密度為7 500kg/m3,彈性模量為175.8 GPa,泊松比為0.3。

2.3 有限元理論

由于模型比較復(fù)雜,難以直接通過理論計算得到結(jié)果,因此一般采用數(shù)值方法進行計算研究。經(jīng)過數(shù)值離散后的彈性體動力學(xué)有限元方程為:

(1)

在線性靜力學(xué)問題中,結(jié)構(gòu)的變形及外載荷與時間無關(guān),因此式(1)可簡化為:

[K]{x}={F}

(2)

線性靜力學(xué)分析時,在小變形及材料線性假設(shè)下,[K]為常量矩陣,{F}為結(jié)構(gòu)所受外載荷,該載荷不隨時間變化。由此,在筆者研究中,轉(zhuǎn)子所受離心力可認為是靜載荷。

3 三維模型仿真

在Abaqus軟件中對幾何模型進行網(wǎng)格劃分,為提高計算速度,采用1/8周期對稱結(jié)構(gòu)模型進行計算。單元類型采用二階四面體單元自由劃分,并在圓角區(qū)域局部加密網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量為60萬,兩側(cè)面基于圓心中心軸設(shè)置1/8周期對稱邊界,網(wǎng)格模型與邊界如圖2所示。內(nèi)弧面與圓心點在柱坐標下耦合切向及轉(zhuǎn)動自由度,并約束圓心點全部自由度。轉(zhuǎn)子與磁鋼的交界面設(shè)置綁定約束,如圖3所示。

▲圖2 網(wǎng)格模型與邊界▲圖3 轉(zhuǎn)子與磁鋼綁定約束

三維模型等效應(yīng)力計算結(jié)果如圖4所示。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為19 000 r/min的極限工況下,轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力達到778 MPa,磁鋼槽外側(cè)圓角應(yīng)力達到572 MPa,遠超設(shè)計指標450 MPa。由于采用線彈性模型,未考慮材料塑性階段的情況,因此在超出曲線極限后的應(yīng)力值與實際情況有較大偏差。三維模型徑向位移計算結(jié)果如圖5所示。最大徑向位移出現(xiàn)在最外側(cè)的邊界上,其值為0.047 mm。從位移分布可以判斷,結(jié)構(gòu)位移以圓心為中心,沿半徑向外逐漸增大,結(jié)果較為合理。

4 二維模型仿真

由三維仿真可知,為了獲得比較精確的計算結(jié)果,需要較大的網(wǎng)格數(shù)量和計算量。筆者從結(jié)構(gòu)自身的幾何特性、載荷、約束條件出發(fā),采用二維模型進行仿真計算。由于轉(zhuǎn)子及磁鋼的結(jié)構(gòu)在厚度方向上無變化,同時載荷及約束平行于面并沿厚度方向均勻分布,因此將三維模型簡化為二維模型?；谥芷趯ΨQ性質(zhì),只取1/8模型進行分析。1/8轉(zhuǎn)子二維模型如圖6所示。采用自由網(wǎng)絡(luò)劃分策略,同樣在圓角區(qū)域局部加密網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量共約為6萬,計算規(guī)模相比三維模型小一個數(shù)量級,材料參數(shù)、邊界約束等與三維模型設(shè)置一致。

二維模型等效應(yīng)力計算結(jié)果如圖7所示。應(yīng)力呈對稱分布,在中間孔的兩側(cè)出現(xiàn)最大應(yīng)力,約為758 MPa;在磁鋼槽的外側(cè)圓角處也有大應(yīng)力產(chǎn)生,約為609 MPa。與三維模型計算結(jié)果相比,最大應(yīng)力偏差為2.57%,磁鋼槽外側(cè)圓角應(yīng)力偏差為6.47%。二維模型徑向位移計算結(jié)果如圖8所示。在轉(zhuǎn)子的最外側(cè)中部產(chǎn)生最大位移,約為0.047 mm,與三維模型計算結(jié)果一致。

▲圖8 二維模型徑向位移計算結(jié)果

通過對比可知,二維模型的位移值與三維模型的位移值相同,兩者應(yīng)力值的偏差也很小。由于二維模型的計算規(guī)模只有三維模型的1/10,因此在工程上可以采用二維模型代替三維模型進行計算,在保證工程精度的前提下,大大提高計算效率。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對比三維仿真與二維仿真計算結(jié)果,可以確認采用二維模型也能夠滿足精度要求。在優(yōu)化過程中,涉及模型多次變參數(shù)計算,為加快計算速度,采用二維模型進行優(yōu)化。

通過分析可知,最大應(yīng)力的區(qū)域有兩處,因此選取兩個變量進行優(yōu)化,目的為減小應(yīng)力值,直至滿足設(shè)計指標。選取最大應(yīng)力處的圓角,如圖9所示。將圓角半徑從0.3 mm逐漸增大至0.9 mm,得到該處最大應(yīng)力的變化趨勢,見表1。當(dāng)圓角半徑為0.9 mm時,最大應(yīng)力值減小至425 MPa,較609 MPa減小了30%。由此可見,需要在保證強度的條件下使圓角半徑大于0.7 mm。

▲圖9 最大應(yīng)力處圓角

表1 圓角最大應(yīng)力變化趨勢

優(yōu)化轉(zhuǎn)子中間孔處結(jié)構(gòu),將中間孔處的圓孔改為矩形孔。為了保持中間孔的面積以滿足磁通量,調(diào)節(jié)相應(yīng)的長寬比,并且增大圓角。優(yōu)化前后中間孔結(jié)構(gòu)如圖10所示。優(yōu)化后應(yīng)力計算結(jié)果如圖11所示,最大應(yīng)力值為449 MPa,與優(yōu)化前的758 MPa相比,減小了約41%。應(yīng)力集中位置仍在兩個圓角附近。

▲圖10 優(yōu)化前后中間孔結(jié)構(gòu)▲圖11 優(yōu)化后應(yīng)力計算結(jié)果

6 結(jié)束語

筆者采用仿真分析技術(shù)分析了電驅(qū)動總成轉(zhuǎn)子在極限轉(zhuǎn)速工況下的強度,并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

對三維模型與二維模型的計算結(jié)果進行對比,可知兩種模型的計算結(jié)果非常接近,其中最大位移相同,最大應(yīng)力偏差小于3%,局部最大應(yīng)力偏差小于7%,驗證了二維模型的準確性和合理性。

由于初始模型在極限轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力超過了設(shè)計指標,因此筆者基于二維模型進行結(jié)構(gòu)改進與優(yōu)化,通過改變幾何形狀與尺寸,使應(yīng)力減小至滿足設(shè)計指標的要求,在提高計算效率的同時提高產(chǎn)品性能。

后續(xù)還需要進行更深入的研究,包括以優(yōu)化結(jié)構(gòu)強度為目標是否會影響電磁效應(yīng)等,即后續(xù)優(yōu)化需要綜合考慮結(jié)構(gòu)及電磁因素。目前筆者只進行了仿真計算,尚未開展相關(guān)實測,后續(xù)通過實測可進一步對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。