1 430 kW永磁同步牽引電機轉(zhuǎn)子沖片強度分析

陳 璞，晏才松，周立安，曾 純

(中車株洲電機有限公司，株洲 412001)

0 引 言

隨著電力電子技術、高性能永磁材料和高強度軟磁材料的發(fā)展，永磁同步牽引電機技術逐步從樣機試制進入產(chǎn)品的推廣應用階段。近幾年來，國內(nèi)軌道交通行業(yè)在城軌車輛和高速動車組領域飛速發(fā)展，已經(jīng)研制出了采用中、小功率永磁同步牽引電機驅(qū)動的整車樣機，但是目前采用大功率永磁同步牽引技術的鐵路客運機車還處于空白[1-2]。本文研制的客運機車用1 430 kW永磁同步牽引電機，為我國機車永磁驅(qū)動模式填補了技術空白，其最大運行轉(zhuǎn)速可達4 906 r/min，因轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌有大量永磁體并開有一定的隔磁槽和減重孔，轉(zhuǎn)子沖片強度和剛度受到了極大削弱，電機轉(zhuǎn)子在高速運行下，將受到永磁體強大的離心力作用。為使電機能夠安全運行于整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，必須對電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機械強度進行計算與優(yōu)化，使電機轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)時在離心力的作用下不發(fā)生嚴重的塑形變形和破壞[3-7]。

轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)時，在離心力作用下，內(nèi)嵌在轉(zhuǎn)子中的永磁體會對轉(zhuǎn)子沖片產(chǎn)生擠壓，呈非線性接觸狀態(tài)。為解決這種非線性接觸問題，通常可以使用解析法或數(shù)值法[7]。但解析法只能求解一些幾何形狀比較規(guī)則的物體，因此應用范圍非常有限；數(shù)值法一般指有限元法，雖然在許多情況下，有限元法在機械結(jié)構(gòu)強度計算中只作為參考，但對于轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)，有限元分析方法能獲得較滿意的結(jié)果[8]。

本文運用ANSYS Workbench軟件對客運機車用1 430 kW永磁同步牽引電機轉(zhuǎn)子沖片強度進行分析，由于結(jié)構(gòu)及載荷的周期對稱性，取轉(zhuǎn)子沖片的1/6模型進行有限元計算，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖1中θ為隔磁橋4與極對稱線的夾角(圖1中中心線稱之為極對稱線)。根據(jù)仿真計算結(jié)果可以明確電機轉(zhuǎn)子沖片的應力水平及分布狀況，尋找潛在的危險部位，對電機轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)進行改進和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以改善電機轉(zhuǎn)子沖片的應力水平。

圖1 轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)示意圖

1 轉(zhuǎn)子沖片強度分析

轉(zhuǎn)子沖片在高速旋轉(zhuǎn)時，主要受到自身和永磁體的離心力作用。在ANSYS Workbench中通過兩種不同加載方式對其強度進行分析對比，建立在電機設計初期更合理的轉(zhuǎn)子沖片強度分析方法。

方法1：建立轉(zhuǎn)子沖片和永磁體模型，設置永磁體與轉(zhuǎn)子沖片間的接觸類型；

方法2：簡化轉(zhuǎn)子計算模型，將永磁體產(chǎn)生的離心力等效為接觸面上的正交分解力。

1.1 有限元模型與邊界條件

1)材料屬性設置

本文計算轉(zhuǎn)子沖片強度所需的材料為硅鋼片、永磁體(釤鈷)，其材料屬性如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子材料屬性

2)轉(zhuǎn)子沖片模型建立的假設前提

轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)下，只考慮離心力作用；主要考慮沖片徑向的應力分布，其軸向應力分布可認為是不變的，為減小計算量，選取10 mm厚度鐵心進行計算；轉(zhuǎn)子速度穩(wěn)定后，沖片受到的離心力是一個常量，對轉(zhuǎn)子沖片的動態(tài)分析可簡化為靜強度分析[9]。

3)仿真邊界條件、載荷施加等設置

由于結(jié)構(gòu)及載荷的周期對稱性，轉(zhuǎn)子模型設置為對稱邊界條件；轉(zhuǎn)子整體模型施加速度載荷，轉(zhuǎn)子采用圓柱面約束，其中徑向自由。

接觸面設置如下:方法1中，將永磁體與轉(zhuǎn)子沖片間的接觸類型設置為rough；方法2中，將永磁體產(chǎn)生的離心力按正交分解為沿接觸面的正壓力。

根據(jù)以上設置，轉(zhuǎn)子沖片的邊界條件及加載模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子沖片的邊界條件及加載模型

1.2 轉(zhuǎn)子沖片在不同加載方法下的計算結(jié)果

根據(jù)轉(zhuǎn)子沖片的計算結(jié)果，將各隔磁橋處及轉(zhuǎn)子沖片與永磁體接觸的臺階處的最大應力值列于表2。

表2 轉(zhuǎn)子沖片各處最大應力值 MPa

根據(jù)仿真計算結(jié)果可知，兩種方法計算獲得的轉(zhuǎn)子沖片變形及應力分布趨勢基本一致。方法1計算的應力最大值為464.4 MPa，出現(xiàn)在永磁1與轉(zhuǎn)子沖片接觸的臺階處；方法2計算的應力最大值為465.4 MPa，出現(xiàn)在永磁2與轉(zhuǎn)子沖片接觸的臺階處。方法1和方法2中隔磁橋3、隔磁橋4間的應力值分布相差不大，誤差值在5%以內(nèi)；但隔磁橋1、隔磁橋2與對應的臺階處應力值有差別。

根據(jù)仿真計算結(jié)果，分析永磁體1臺階處最大應力值的區(qū)別。方法1中，永磁體1在離心力的作用下被往外甩，而臺階處基本沒有發(fā)生變形，窄小的臺階處受磁鋼棱角擠壓，導致應力集中于臺階處；方法2中，此處是將離心力分力垂直加載于臺階面上，應力值較均勻地傳遞至臺階上方的隔磁橋1處。因此，兩種方法計算的應力值存在較大差別，但兩種方法在隔磁橋1附近區(qū)域(包括臺階)產(chǎn)生的應力最大值相差不大，誤差值為2.1%。

根據(jù)仿真計算結(jié)果，隔磁橋2附近區(qū)域(包括臺階)，除去方法2中應力集中的極小區(qū)域外，應力值分布基本一致，且方法2中永磁體2臺階處的應力集中可以通過調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量和導小圓角解決。

雖然方法1是真實加載情況，但是方法2將永磁體自身產(chǎn)生的離心力等效為接觸面上的正交分解力，簡化了方法1中永磁體與轉(zhuǎn)子沖片間的非線性接觸，這極大地節(jié)省了仿真計算的時間成本。

綜上所述，在電機設計初期，方法2更為合理，因此，采用方法2對轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

2 轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)仿真計算結(jié)果可知，轉(zhuǎn)子沖片潛在的危險部位位于隔磁橋1、隔磁橋3及隔磁橋4處，隔磁橋2處的應力值有一定裕量，因此通過調(diào)整各隔磁橋的厚度以及隔磁橋4與中心線的夾角θ來優(yōu)化轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)。

2.1 調(diào)整隔磁橋1、隔磁橋3和隔磁橋4的厚度

本文通過改變隔磁橋1、隔磁橋3和隔磁橋4的厚度，觀察轉(zhuǎn)子沖片各隔磁橋及永磁體對應的臺階處應力最大值的變化情況，以期找到合適的隔磁橋厚度來降低電機轉(zhuǎn)子沖片的應力水平。當一處隔磁橋的厚度變化時，其他各處隔磁橋的厚度取4.5 mm，圖3～圖5為轉(zhuǎn)子沖片強度隨隔磁橋厚度變化的計算結(jié)果。

圖3 沖片強度隨隔磁橋1厚度變化的計算結(jié)果

圖4 沖片強度隨隔磁橋3厚度變化的計算結(jié)果

圖5 沖片強度隨隔磁橋4厚度變化的計算結(jié)果

(1)由圖3可知，當隔磁橋1厚度增加時，自身區(qū)域附近的應力最大值減小了12.9%，隔磁橋2處應力最大值增大了12.2%，隔磁橋3、隔磁橋4處受影響很小，變化值在4.6%以內(nèi)；

(2)由圖4可知，當隔磁橋3厚度增加時，自身區(qū)域附近的應力最大值減小了16%，其他隔磁橋區(qū)域受影響很??；

(3)由圖5可知，當隔磁橋4厚度增加時，自身區(qū)域附近的應力最大值減小了9.4%，隔磁橋1處應力最大值減小了6.5%，隔磁橋2、隔磁橋3處受影響很小。

2.2 調(diào)整隔磁橋4與中心線間的夾角θ

通過改變隔磁橋厚度優(yōu)化轉(zhuǎn)子沖片強度時發(fā)現(xiàn)，隔磁橋1和隔磁橋3處附近區(qū)域的應力水平能降至安全范圍內(nèi)，但隔磁橋4附近區(qū)域應力分布很不均勻，根部出現(xiàn)應力集中，故通過調(diào)整夾角θ，以期改善隔磁橋4附近區(qū)域的應力分布。根據(jù)上節(jié)優(yōu)化情況，取隔磁橋1、隔磁橋3及隔磁橋4處的厚度為6 mm，隔磁橋2處的厚度為4.5 mm，圖6為轉(zhuǎn)子各隔磁橋強度隨夾角θ變化的計算結(jié)果。

圖6 各處隔磁橋強度隨夾角θ變化的計算結(jié)果

由圖6可知，當夾角θ從0增大至20°時，隔磁橋4附近區(qū)域的應力分布先減小后增大，θ=8°時，應力最小為437 MPa；夾角θ的變化對隔磁橋1、隔磁橋3的影響很小，隔磁橋2附近區(qū)域的應力分布隨夾角θ增大而減小。

3 結(jié) 語

通過本文的分析研究，可得出如下結(jié)論：

(1)在電機設計初期，將永磁體在對應轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的離心力等效為沿接觸面正交分解的兩個正壓力，簡化轉(zhuǎn)子模型進行仿真計算，可以節(jié)省大量的時間成本，縮短了設計周期；

(2)隨著隔磁橋厚度的增加，轉(zhuǎn)子沖片的結(jié)構(gòu)強度得到提高；

(3)對于雙V形轉(zhuǎn)子沖片，調(diào)整下層隔磁橋與極對稱線間的夾角θ能較大程度地改善該隔磁橋附近區(qū)域的應力分布情況。