全電飛機(jī)用外轉(zhuǎn)子SPMSM機(jī)殼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)*

王煦寧, 于占洋, 張佳霖, 李 巖

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心,遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

傳統(tǒng)飛機(jī)次級(jí)功率系統(tǒng)質(zhì)量較大、燃油量大，造成了二氧化碳排放量的增加。而全電飛機(jī)次級(jí)能源使用低排放的電能，在環(huán)境保護(hù)和降低能源消耗方面比傳統(tǒng)飛機(jī)有更大貢獻(xiàn)。全電飛機(jī)憑借自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，迅速成為飛機(jī)制造業(yè)的重要研究方向之一[1-3]。在保證電機(jī)可靠運(yùn)行前提下最大限度實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)也是需要研究的問(wèn)題[4-5]。

國(guó)內(nèi)外研究電機(jī)輕量化主要有2種方法：(1)是選用輕質(zhì)材料對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)裝配；(2)是在可靠的高功率密度電機(jī)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。文獻(xiàn)[6-8]在不考慮費(fèi)用情況下，選取1j22在電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。文獻(xiàn)[9-10]在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上選用輕質(zhì)鋁合金實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[11]于電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)中使用超導(dǎo)材料，并對(duì)電磁部位進(jìn)行尺寸優(yōu)化。文獻(xiàn)[12-13]改進(jìn)電磁部位進(jìn)行“無(wú)槽”結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了電機(jī)重量。

現(xiàn)階段關(guān)于電機(jī)輕量化研究很局限于在電磁部位使用輕質(zhì)材料、電磁部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面。電磁部位所占比重不及電機(jī)機(jī)械部分。但目前針對(duì)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)部位的輕量化研究明顯少于電磁部位輕量化研究。本文對(duì)一臺(tái)雙座全電飛機(jī)用高功率密度表貼式永磁同步電機(jī)(SPMSM)，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，在比重較大機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行輕質(zhì)材料選用、尺寸優(yōu)化并配合鏤空、加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)減輕電機(jī)重量。通過(guò)Workbench靜態(tài)力學(xué)場(chǎng)計(jì)算得到不同方案下的應(yīng)力、形變圖，在滿足電機(jī)可靠性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)輕量化的目的。

1 三維等效模型建立

1.1 物理模型

本次輕量化設(shè)計(jì)以一臺(tái)雙座全電飛機(jī)航天用直驅(qū)式外轉(zhuǎn)子SPMSM為研究對(duì)象。為了保證全電飛機(jī)安全可靠運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率留有一定余量，通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試得到，原樣機(jī)最大輸出功率可達(dá)60 kW，輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)249 N·m。樣機(jī)的有效重量?jī)H為14.1 kg，包括定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體以及繞組4個(gè)部分，樣機(jī)的峰值功率可達(dá)60 kW，峰值功率密度達(dá)到4.24 kW/kg，所設(shè)計(jì)的樣機(jī)滿足全電飛機(jī)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)子與一體化機(jī)殼端蓋相連，旋轉(zhuǎn)軸與電機(jī)本體結(jié)構(gòu)裝配通過(guò)螺栓固定，一體化機(jī)殼端蓋質(zhì)量為2.4 kg，端蓋厚度為8.5 mm，機(jī)殼厚度為5 mm，通過(guò)軸承與支撐架構(gòu)連接。結(jié)構(gòu)基本參數(shù)如表1所示，并對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效處理，等效模型如圖2所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

表1 電機(jī)參數(shù)

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)等效模型

將等效模型導(dǎo)入Workbench靜態(tài)力學(xué)場(chǎng)中對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)施加150 N·m的扭矩，將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為2 300 r/min，并在旋轉(zhuǎn)軸部進(jìn)行約束。

圖3 電機(jī)施加載荷

1.2 數(shù)學(xué)模型

電機(jī)機(jī)殼與端蓋采用一體化設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)軸與電機(jī)通過(guò)軸承在軸向進(jìn)行固定，并在軸承內(nèi)側(cè)用墊塊固定，進(jìn)而保證旋轉(zhuǎn)軸與電機(jī)沒(méi)有軸向相對(duì)位移。電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸輸出端長(zhǎng)度為55 mm，設(shè)有平鍵槽口與負(fù)載端相互連接。端蓋通過(guò)螺栓與輸出軸固定，保障二者之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，一體化的機(jī)殼端蓋受到較大剪切應(yīng)力。由于輸出軸與端蓋相連接直接影響端蓋尺寸，從而導(dǎo)致對(duì)外輸出的扭矩也隨之改變，端蓋也受到扭矩帶來(lái)的彎曲應(yīng)力。所以在輕量化設(shè)計(jì)中，需要對(duì)端蓋機(jī)殼尺寸進(jìn)行特別設(shè)計(jì)。端蓋厚度為q、端蓋內(nèi)徑為rin，外徑為rout,內(nèi)徑處端蓋的偏移角度θra可表示為

(1)

式中：ra為端蓋內(nèi)部保證軸向無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的墊塊直徑。

端蓋外徑處受到的彎矩Mrout可表示為：

(2)

式中：Qra為內(nèi)徑處剪切應(yīng)力；D為一個(gè)與機(jī)殼厚度t相關(guān)的常數(shù)。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：Qrout為外徑處剪應(yīng)切力；v為材料的泊松比；E為楊氏模量；C1為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑彎曲應(yīng)力；C2為轉(zhuǎn)子外徑彎曲應(yīng)力；C3為轉(zhuǎn)子內(nèi)表面彎曲應(yīng)力；C4為端蓋內(nèi)表面彎曲應(yīng)力；C5為端蓋外表面彎曲應(yīng)力；C6為端蓋外表面彎曲應(yīng)力；L1為轉(zhuǎn)子與端蓋外表面比例系數(shù)；L2為轉(zhuǎn)子與端蓋內(nèi)表面比例系數(shù)；L3為端蓋彎曲形變。

如數(shù)學(xué)模型所示，對(duì)機(jī)殼厚度的改變，在電機(jī)機(jī)殼尺寸優(yōu)化過(guò)程中影響并不明顯。端蓋厚度的選擇對(duì)應(yīng)力有著較大影響。

2 機(jī)殼端蓋優(yōu)化分析

在全電飛機(jī)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)、研制的第一階段中，主要考核驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁特性以及溫升分布情況，忽略了外部結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)。在原樣機(jī)設(shè)計(jì)、制作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)樣機(jī)減重。出廠端蓋厚度為8.5 mm、機(jī)殼厚度為5 mm，總高度為75.5 mm，在此結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。選用更加輕質(zhì)的6063t6鋁合金代替鋼材料，其屈服強(qiáng)度取190 MPa。安全系數(shù)設(shè)定為10進(jìn)行分析，以滿足全電飛機(jī)極端的運(yùn)行工況。應(yīng)保證等效應(yīng)力在19 MPa之內(nèi)，轉(zhuǎn)子徑向形變應(yīng)在氣隙1/10即0.1 mm以內(nèi)。

2.1 端蓋輕量化分析

首先建立由8 mm到0.5 mm的一體化端蓋機(jī)殼中端蓋部位的多種模型。并將模型導(dǎo)入Workbench靜態(tài)力學(xué)場(chǎng)中。分別采用6063t6鋁合金和鋼材料進(jìn)行計(jì)算，得到2種材料下等效應(yīng)力與端蓋厚度的變化圖,如圖4所示。

圖4 6063t6鋁制端蓋等效應(yīng)力變化圖

設(shè)定材料許用應(yīng)力19 MPa，安全系數(shù)10，通過(guò)對(duì)比設(shè)定端蓋厚度為2 mm。由圖5可知，若端蓋材質(zhì)選為鋼材，其屈服強(qiáng)度235 MPa,為達(dá)到滿足機(jī)械強(qiáng)度以及較高安全系數(shù)10的要求，許用應(yīng)力控制在23.5 MPa。滿足該條件下，一體化機(jī)殼端蓋零件中端蓋的厚度可采用1 mm。圖6為2種材料在相同端蓋厚度下的重量變化對(duì)比圖。

圖5 鋼制端蓋等效應(yīng)力變化圖

圖6 重量對(duì)比圖

由圖6可知，鋼制機(jī)殼取優(yōu)化尺寸1 mm時(shí)重量為3.71 kg，而6063t6鋁合金取優(yōu)化尺寸2 mm時(shí)機(jī)殼重量為1.44 kg。兩者都滿足使用要求，選取6063t6材質(zhì)可使得零件減重61.19%。

圖7、圖8分別為滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，材質(zhì)為6063t6鋁合金，端蓋厚度為2 mm時(shí)靜態(tài)力學(xué)場(chǎng)等效應(yīng)力及轉(zhuǎn)子形變圖。

圖7 鋁制2 mm端蓋等效應(yīng)力圖

圖8 鋁制2 mm端蓋下轉(zhuǎn)子形變圖

圖9、圖10為1 mm優(yōu)化設(shè)計(jì)下鋼制一體化機(jī)殼端蓋的等效應(yīng)力和轉(zhuǎn)子形變圖。

圖9 鋼制1 mm端蓋等效應(yīng)力圖

圖10 鋼制1 mm端蓋下轉(zhuǎn)子形變圖

由計(jì)算結(jié)果可以看出，無(wú)論取2 mm鋁合金材料，還是1 mm鋼材制作，都滿足電機(jī)運(yùn)行可靠性。但選取鋁合金更為輕質(zhì)。

2.2 機(jī)殼輕量化設(shè)計(jì)

優(yōu)化前一體化機(jī)殼端蓋的機(jī)殼厚度為5 mm，分別對(duì)機(jī)殼厚度取7、6、5、4、3 mm多種方案進(jìn)行分析，得到等效應(yīng)力與機(jī)殼厚度變化圖，如圖11所示。

圖11 改變機(jī)殼厚度應(yīng)力變化圖

由圖12可知，5 mm機(jī)殼厚度等效應(yīng)力最小，但單一改變機(jī)殼厚度對(duì)等效應(yīng)力的影響并不明顯。聯(lián)立式(1)、式(2)其中與機(jī)殼厚度相關(guān)參數(shù)在計(jì)算中影響并不大，也可證明單一改變機(jī)殼對(duì)影響并不明顯。取機(jī)殼厚度5 mm進(jìn)行分析，為了進(jìn)一步減輕重量需對(duì)機(jī)殼其他結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖12 結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

優(yōu)化前機(jī)殼高度75.5 mm，在保證轉(zhuǎn)子高度的基礎(chǔ)上，仍有14 mm的形如“凸臺(tái)”的空間可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò)改變機(jī)殼的高度，對(duì)機(jī)殼進(jìn)行“無(wú)凸臺(tái)”設(shè)計(jì)仿真，得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、形變圖，如圖13、圖14所示。

圖13 無(wú)凸臺(tái)端蓋等效應(yīng)力圖

圖14 無(wú)凸臺(tái)端蓋下轉(zhuǎn)子形變圖

由計(jì)算結(jié)果可知，等效應(yīng)力8.9 MPa、轉(zhuǎn)子形變0.05 mm，均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)?！盁o(wú)凸臺(tái)”設(shè)計(jì)仍滿足設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)化前機(jī)殼采用360°全封閉結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)殼減半180°半封閉鏤空優(yōu)化。鏤空采用“三爪“樣式，如圖15所示?？紤]鏤空后的樣機(jī)，在裝配過(guò)程中不進(jìn)行熱套操作。在實(shí)際裝配中采用焊接工藝。在仿真分析中采用bonded處理。通過(guò)改變樣機(jī)鏤空樣式，取最大鏤空深度52 mm，從而分別得到圖16、圖17的應(yīng)力和形變圖。

圖15 鏤空樣式示意圖

圖16 鏤空端蓋等效應(yīng)力圖

圖17 鏤空端蓋下轉(zhuǎn)子形變圖

由圖16、圖17可知，在機(jī)殼為鏤空的條件下，轉(zhuǎn)子形變處于可靠范圍，等效應(yīng)力為34.459 MPa，遠(yuǎn)大于預(yù)期的19 MPa。比對(duì)優(yōu)化前，有效減重53.23%。此時(shí)安全系數(shù)為5.5，要小于預(yù)期的安全系數(shù)為10的要求。

為了滿足更高的機(jī)械強(qiáng)度要求、提高安全系數(shù)，進(jìn)一步滿足輕量化設(shè)計(jì)要求，還需對(duì)端蓋進(jìn)行加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)。

3 加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)分析

加強(qiáng)筋參考了仿生學(xué)中“蟹鉗”結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并與其他學(xué)者所設(shè)計(jì)的“一字型”加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，2種加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)如圖18所示。

圖18 加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)圖

改變一體化機(jī)殼端蓋結(jié)構(gòu)，對(duì)不同方案進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)場(chǎng)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2可知，“蟹鉗”式加強(qiáng)筋，可滿足預(yù)期機(jī)械強(qiáng)度要求，并提高了安全系數(shù),其安全系數(shù)可達(dá)10以上，而“一字型”樣式加強(qiáng)筋的等效應(yīng)力為35.129 MPa，安全系數(shù)僅為5.4。與單一鏤空設(shè)計(jì)下的結(jié)構(gòu)相比，采用“蟹鉗”式加強(qiáng)筋更滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)電機(jī)整體進(jìn)行有限元仿真分析，計(jì)算結(jié)果如圖19、圖20所示。

圖19 電機(jī)等效應(yīng)力圖

圖20 電機(jī)形變圖

由圖19、圖20可知，新結(jié)構(gòu)下等效應(yīng)力小于安全系數(shù)為10時(shí)的許用應(yīng)力。形變也在安全范圍之內(nèi)。新結(jié)構(gòu)機(jī)殼端蓋重量為1.17 kg，比優(yōu)化前減重51.92%。比鋼材料減重68.5%，比6063t6鋁合金材料減重18.7%。新結(jié)構(gòu)既滿足輕量化要求又滿足電機(jī)運(yùn)行可靠性。

4 樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試

優(yōu)化后的電機(jī)機(jī)殼和原機(jī)殼有很大不同，需要驗(yàn)證優(yōu)化后機(jī)殼是否滿足在復(fù)雜工況下滿足機(jī)械強(qiáng)度。對(duì)優(yōu)化后電機(jī)分別過(guò)載220 N·m和加載150 N·m轉(zhuǎn)矩。并測(cè)得樣機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)測(cè)試波形，如圖21、圖22所示。

圖21 電機(jī)過(guò)載220 N·m輸出波形圖

圖22 電機(jī)加載150 N·m輸出波形圖

通過(guò)試驗(yàn)輸出波形可知，優(yōu)化后的電機(jī)可以符合滿載和過(guò)載時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度。電機(jī)在復(fù)雜的實(shí)際工況下仍然可以安全可靠運(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用Workbench對(duì)全電飛機(jī)用外轉(zhuǎn)子SPMSM進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)靜態(tài)力學(xué)場(chǎng)分析，得出以下結(jié)論：

(1) 在靜態(tài)力學(xué)場(chǎng)對(duì)6063t6鋁合金和鋼進(jìn)行分析。在滿足安全系數(shù)10的前提下，6063t6鋁合金最薄可用2 mm，鋼最薄可用1 mm。在此基礎(chǔ)上采用6063t6鋁合金可減重61.19%。

(2) 對(duì)一體化機(jī)殼端蓋的端蓋進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示當(dāng)端蓋厚度不小于2 mm時(shí)，安全系數(shù)可高達(dá)10以上；當(dāng)厚度不小于4 mm時(shí)，安全系數(shù)增大趨勢(shì)并不明顯。對(duì)端蓋采用滿足安全系數(shù)10要求下最優(yōu)尺寸2 mm可比優(yōu)化前減重40.87%。

(3) 對(duì)一體化機(jī)殼端蓋的機(jī)殼參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果顯示，5 mm機(jī)殼厚度進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)，比對(duì)優(yōu)化前減重53.23%。同時(shí)設(shè)計(jì)一種“蟹鉗”式加強(qiáng)筋，使安全系數(shù)從5.5提高到11，最終機(jī)殼重量?jī)H為1.17 kg。