提高電機(jī)低溫帶載性能設(shè)計(jì)研究

李志鵬,錢 華,陳 辰,張席銘

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所, 上海 200233)

0 引 言

電機(jī)熱學(xué)分析和設(shè)計(jì)一直是電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)問(wèn)題之一[1-2],目前國(guó)內(nèi)外通常采用有限元法進(jìn)行分析計(jì)算[3-4]。應(yīng)用于特殊裝備的某型號(hào)電動(dòng)機(jī)要求小體積、輕量化,其結(jié)構(gòu)較為特殊。由于用在特殊場(chǎng)景,所用材料在滿足功能、性能和強(qiáng)度的前提條件下,選用了不同的輕質(zhì)材料。受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選用材料的綜合影響,該電機(jī)在低溫-55 ℃通電帶載運(yùn)行時(shí),部分電機(jī)出現(xiàn)輸出力矩下降明顯的現(xiàn)象。隨著環(huán)境溫度的升高,電機(jī)通電帶載能力逐漸增大,恢復(fù)至與常溫帶載能力接近。

為保證電機(jī)質(zhì)量的一致性,提高低溫-55 ℃通電帶載能力,對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析。運(yùn)用有限元仿真分析,建立電機(jī)有限元模型,分析計(jì)算影響電機(jī)低溫阻力矩增大的結(jié)構(gòu)件在不同溫度變化條件下的形變,優(yōu)化結(jié)構(gòu)件配合間隙設(shè)計(jì)參數(shù),并經(jīng)不同溫度的帶載能力驗(yàn)證,解決了該電機(jī)低溫帶載能力下降離散性大,部分電機(jī)存在無(wú)法運(yùn)行的技術(shù)難題。

1 低溫帶載能力下降的影響因素分析

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電機(jī)主要由機(jī)殼、定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機(jī)殼、端蓋、輸出軸等組成。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 電機(jī)帶載能力隨溫度下降而下降的影響因素分析

電機(jī)進(jìn)行常溫及高溫(85 ℃)測(cè)試,功能及性能均正常,在低溫-55 ℃工況測(cè)試時(shí),部分電機(jī)加電帶載無(wú)法起動(dòng),能夠起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī),帶載能力有不同程度的下降。根據(jù)該現(xiàn)象,將環(huán)境溫度升溫至-45 ℃進(jìn)行測(cè)試,電機(jī)均能夠帶載起動(dòng),但部分電機(jī)帶載能力仍有下降;繼續(xù)升溫至溫度-35 ℃進(jìn)行測(cè)試,電機(jī)起動(dòng)正常,功能與性能測(cè)試正常。電機(jī)帶載能力隨溫度下降有不同程度的下降,實(shí)驗(yàn)情況如表1所示。

表1 低溫起動(dòng)實(shí)驗(yàn)情況

1.3 低溫帶載能力下降原因分析

針對(duì)電機(jī)帶載能力隨溫度下降而下降的問(wèn)題,根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),認(rèn)為影響電機(jī)低溫帶載能力下降的因素有以下幾個(gè)方面:

(1)低溫下定轉(zhuǎn)子機(jī)械卡滯;

(2)電機(jī)低溫下電磁性能下降;

(3)低溫下軸承阻力矩增大。

1.3.1 轉(zhuǎn)子機(jī)械卡滯

根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律,溫度下降時(shí),分子熱運(yùn)動(dòng)減弱,振動(dòng)幅度減小,物體體積收縮。電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙較小,定、轉(zhuǎn)子的材料在低溫下的形變差大于氣隙,可能導(dǎo)致低溫下轉(zhuǎn)子機(jī)械卡滯,電機(jī)低溫帶載能力下降,無(wú)法起動(dòng)。電機(jī)定、轉(zhuǎn)子所用材料的溫變系數(shù)接近,定、轉(zhuǎn)子低溫形變量接近;電機(jī)定、轉(zhuǎn)子氣隙遠(yuǎn)大于所用材料的低溫形變量。因此,電機(jī)定、轉(zhuǎn)子低溫形變不會(huì)出現(xiàn)氣隙減小、轉(zhuǎn)子機(jī)械卡滯,該影響因素排除。

1.3.2 電機(jī)電磁性能下降

電機(jī)定子磁鋼采用釤鈷永磁體,其溫度系數(shù)較低,為0.04%/℃。輸出轉(zhuǎn)矩的大小與磁鋼性能正相關(guān)。低溫下,磁鋼性能略有上升,由此可知,電磁性能隨溫度變化,在低溫下電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能上升。因此,電機(jī)電磁性能下降的影響因素排除。

1.3.3 軸承阻力矩增大

低溫下軸承阻力矩增大是導(dǎo)致電機(jī)低溫帶載能力下降的主要原因。影響軸承阻力矩的兩大因素:一是軸承潤(rùn)滑脂低溫阻力矩增大;二是構(gòu)成軸承室的機(jī)殼、轉(zhuǎn)軸、軸承材料因溫度降低產(chǎn)生形變,軸承游隙減小。

1) 軸承潤(rùn)滑脂導(dǎo)致阻力矩增大

低溫下,軸承潤(rùn)滑脂粘稠性增大,潤(rùn)滑脂阻力矩增大,導(dǎo)致軸承阻力矩增大,電機(jī)有效輸出力矩下降,低溫下電機(jī)帶載能力下降。電機(jī)所用潤(rùn)滑脂采用高低溫潤(rùn)滑脂,使用溫度范圍為-65 ℃～205 ℃。低溫下潤(rùn)滑脂阻力會(huì)略有增大,但增加量值遠(yuǎn)小于電機(jī)0.24 N·m,電機(jī)在限流條件下的輸出力矩會(huì)略有減小,不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法起動(dòng)。

2) 軸承室低溫形變,導(dǎo)致軸承游隙減小,軸承阻力矩增大

該電機(jī)結(jié)構(gòu)形式為單邊軸承,構(gòu)成軸承室結(jié)構(gòu)件包括機(jī)殼和轉(zhuǎn)子軸套。由于減重和特殊使用環(huán)境,機(jī)殼、轉(zhuǎn)子軸套和軸承所用材料均不相同,詳見表2。

表2 軸承室結(jié)構(gòu)件組成、材料和熱膨脹系數(shù)

由此可知,低溫下機(jī)殼的形變量大于軸承的形變量,這會(huì)導(dǎo)致機(jī)殼與軸承配合間隙減小。由于電機(jī)需承受較大的環(huán)境力學(xué)條件,軸承徑向游隙選擇較小量級(jí)。

當(dāng)機(jī)殼形變量大于機(jī)殼與軸承配合間隙時(shí),會(huì)使軸承徑向游隙減小,軸承阻力矩明顯增大,電機(jī)阻力矩增大,電機(jī)低溫帶載輸出力矩下降;當(dāng)?shù)蜏匦巫兞啃∮跈C(jī)殼與軸承配合間隙時(shí),軸承阻力矩?zé)o影響,電機(jī)帶載能力應(yīng)不會(huì)下降。

2 軸承室低溫形變仿真分析

通過(guò)對(duì)電機(jī)低溫帶載能力下降影響因素分析,認(rèn)為影響電機(jī)低溫帶載能力下降的主要因素應(yīng)為組成電機(jī)軸承室結(jié)構(gòu)件的機(jī)殼、轉(zhuǎn)軸、軸承材料形變導(dǎo)致軸承阻力矩增大。為此,根據(jù)軸承、機(jī)殼、轉(zhuǎn)子軸套的結(jié)構(gòu)、材料特性,優(yōu)化結(jié)構(gòu)件配對(duì),進(jìn)行軸承徑向游隙低溫形變仿真分析驗(yàn)證,試圖通過(guò)制定合理的機(jī)殼與軸承配合間隙,改善電機(jī)低溫帶載能力下降的問(wèn)題[5-7]。本文運(yùn)用有限元仿真分析,建立電機(jī)有限元模型,分析計(jì)算影響電機(jī)低溫阻力矩增大的結(jié)構(gòu)件在不同尺寸配合和不同溫度變化條件下的形變,并通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證仿真分析結(jié)果。

根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸,適當(dāng)簡(jiǎn)化模型,軸承外圈仿真模型如圖2所示,采用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件對(duì)電機(jī)軸承外圈及內(nèi)圈的形變量進(jìn)行分析,得出軸承游隙在不同溫變、不同配合間隙情況下的變化量。

圖2 簡(jiǎn)化處理的軸承外圈仿真模型

2.1 軸承徑向形變

仿真計(jì)算軸承徑向形變量δ也就是軸承徑向內(nèi)外圈的形變量,用軸承外圈的內(nèi)壁形變量減去軸承內(nèi)圈外壁的形變量即為低溫下軸承徑向形變量。由于軸承滾珠尺寸較小,且與軸承材料熱膨脹系數(shù)相同,在仿真分析過(guò)程中不考慮軸承滾珠形變。分別仿真電機(jī)在-55 ℃和-45 ℃條件下,機(jī)殼與軸承配合間隙分別為0、0.006 mm和0.01 mm,軸承徑向游隙為0.022 mm,三種配合狀態(tài)下的軸承徑向形變量。仿真結(jié)果如圖3～圖5所示,圖中數(shù)值為負(fù),表示物體收縮。

圖3 軸承外圈內(nèi)壁徑向形變量云圖(軸承與機(jī)殼間間隙為0)

圖4 軸承外圈內(nèi)壁徑向形變量云圖(軸承與機(jī)殼間間隙為0.006 mm)

圖5 軸承外圈內(nèi)壁徑向形變量云圖(軸承與機(jī)殼間間隙為0.01 mm)

2.2 軸承內(nèi)圈外壁徑向形變量

軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子軸套配合,兩者材料熱膨脹系數(shù)相等,可直接根據(jù)熱膨脹系數(shù)計(jì)算軸承內(nèi)圈外壁徑向形變量。

ΔL=αL0ΔT

(1)

式中:ΔL為形變量;α為熱膨脹系數(shù);L0為原始長(zhǎng)度;ΔT為溫度變化量。

根據(jù)熱膨脹公式計(jì)算,-55 ℃時(shí)軸承內(nèi)圈外壁形變量為0.023 2 mm,-45 ℃時(shí)軸承內(nèi)圈外壁形變量為0.020 1 mm。

2.3 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)機(jī)殼與軸承不同配合間隙在不同溫度下的軸承徑向形變量的仿真結(jié)果如表3所示。

表3 軸承與機(jī)殼不同配合尺寸下的徑向形變量

仿真結(jié)果表明,機(jī)殼與軸承配合間隙為0時(shí),電機(jī)在低溫-55 ℃軸承總形變量為0.022 4 mm,大于軸承徑向間隙,軸承卡滯,阻力距明顯增大;在低溫-45 ℃時(shí)軸承總形變量為0.019 6 mm,小于軸承徑向間隙,軸承阻力矩應(yīng)影響較小。

當(dāng)機(jī)殼與軸承配合間隙增大至0.006 mm時(shí),低溫-55 ℃和-45 ℃軸承總形變量為分別是0.018 4 mm和0.154 mm,均小于軸承徑向間隙,軸承阻力矩應(yīng)均影響較小;隨著機(jī)殼與軸承配合間隙的增大至配合間隙0.01 mm時(shí),低溫-55 ℃和-45 ℃軸承總形變量減小至0.015 2 mm和0.012 3 mm,軸承阻力矩應(yīng)均無(wú)影響。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及優(yōu)化方案

根據(jù)仿真結(jié)果,分別將機(jī)殼與軸承的配合按0、0.006 mm、0.010 mm間隙進(jìn)行電機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)樣件狀態(tài)如表4所示。

表4 軸承與機(jī)殼實(shí)測(cè)尺寸

3臺(tái)樣件分別進(jìn)行低溫-55 ℃的帶載起動(dòng)和性能測(cè)試,具體測(cè)試結(jié)果分別如表5、表6所示。

表5 負(fù)載0.24 N·m、低溫-55 ℃、保溫2 h實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證情況

表6 負(fù)載0.24 N·m、常溫實(shí)驗(yàn)情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)殼與軸承配合間隙增大0.006 mm至0.01 mm后,電機(jī)低溫-55 ℃帶載0.24 N·m可以完成起動(dòng);配合間隙為0.01 mm電機(jī)的起動(dòng)電流和負(fù)載電流均略小于配合間隙為0.006 mm電機(jī);配合間隙為0.01 mm電機(jī)的輸出性能與常態(tài)性能基本接近,負(fù)載電流的差異應(yīng)為軸承潤(rùn)滑脂在低溫下阻力矩略有增大的影響,軸承形變量對(duì)軸承阻力矩已無(wú)影響。

由仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出,軸承與機(jī)殼之間配合間隙增大后,低溫條件下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有明顯提升,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。通過(guò)控制機(jī)殼與軸承間配合間隙在合適范圍內(nèi),可以使電機(jī)低溫帶載能力明顯提升。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、材料特性分析,建立電機(jī)三維仿真分析模型,運(yùn)用有限元仿真,分析計(jì)算影響電機(jī)低溫阻力矩增大的結(jié)構(gòu)件在不同溫度變化條件下的形變,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。對(duì)于采用不同材料和特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī),后續(xù)可運(yùn)用該方法,分析計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)件配合間隙設(shè)計(jì)參數(shù),解決低溫帶載能力下降和離散性大的問(wèn)題。