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基于OptiStruct的电动汽车永磁同步电机冷压转子的强度分析

2018/10/30    来源:Altair    作者:纪璐  杨学功  李学良  马永志  田枫林      
关键字:转子  强度分析  optistruct  
本文考虑了转子冷压装配后过盈量减小量,分析了转子受单边磁拉力、离心力、过盈接触力的受力情况,确定了分析方向,对转子三维模型进行有限元分析,为转子模型计算提供参考。

1 概述

    永磁电机由于高效、高可靠性,广泛应用于电动汽车中。其中,转子是最重要的部分之一,转子包含转子铁芯、磁钢以及转轴。近些年,国内外学者先后对永磁电机的转子进行强度分析,转子发生故障及损坏的原因之一就是转子变形过大及强度不足。

    全面考虑了离心力、电磁力、温度等因素,进行有限元仿真分析。结果表明:离心力是转子破坏的主要原因,由于安装时会出现误差,应力增加并导致转子变形,高速时易出现转子扫堂。考虑电机高速运行时离心力对隔磁桥的作用。通过仿真得出顶部、中间隔磁桥应力云图,并提出一种高效的机械强度分析方法,使计算量大大减少。

    上述文献为转子的改进和保护起到重要意义。但是,目前文献中较少考虑由于冷压装配所产生压平量对转轴过盈量的影响。在转子装配中,通常采用的装配方式有冷压和热套工艺将轴套入转子中。当转轴直径较小时,转子铁芯为了扩大直径使转轴套入而加热,小直径铁芯装配温度需要加热较高温度才能套入转轴,磁钢高温中易失效,所以直径较小的转子铁芯通常为冷压装配套入转轴。即固定转轴,在常温条件下将转子铁芯压在转轴上。由于转子铁芯为多个转子冲片叠压,所以内圆接触面粗糙。轴的粗糙度为3.2μm,在冷压时,由于转子铁芯和转轴表面会由于挤压压入,而磨平一部分表面粗糙度值,使得两者配合后过盈量变小。其过盈量减小的值即为压平量。

2 有限元分析

    为考察转子铁芯隔磁桥和转子铁芯的强度和刚度性能,以某台永磁电机为例,分析在最大转速下、静态工况下,转子铁心的强度同时分析铁心隔磁桥的变形和应力分布。转子铁芯与转轴连接的方式有三种:过盈配合、过渡配合、间隙配合。当过盈量较大时,过盈配合所产生的应力要大于隔磁桥处所受应力。当为间隙配合时,隔磁桥处所受应力较大。

    由对转子工作方式分析可知,转子隔磁桥受到载荷主要为:转子在高速旋转时转子以及磁钢自身的离心力对其径向产生的挤压作用。另外,转子和铁心为过盈配合,两者之间会产生接触力。当转子偏心时也产生一定的单边磁拉力。所以转子所受载荷为旋转引起的离心力、过盈配合接触力以及转子偏心引起的单边磁拉力。采用冷压装配,双边最大过盈量为0.082mm。考虑安全系数的转子铁芯许用应力为340MPa。若转子结构强度计算结果的最大应力超过此值,则认为转子机械强度不满足要求。

    根据上文研究,在转子模型仿真时,需要将理论过盈量减去压平量即为实际过盈量。根据国家标准文件,压平量的公式为为:

δmin=2(1.6Rae+1.6Rai)

    其中Rae为转子铁芯粗糙度,Rai为转轴粗糙度。

    轴的粗糙度为3.2μm。由于冷压后得到的压平量是范围值,转子铁芯的粗糙度较大,所以将此处转子铁芯的粗糙度设为6.3μm。计算得到压平量为0.0304mm,需将压平量去掉,得到冷压后实际单边过盈量为0.0258mm。

    根据上述分析可知:过盈量较大时,离心力随着转子转速增加而增加,使过盈配合产生的接触力越来越小。所以,需要分析转子在最高转速下、静态工况下的变形及应力分布情况。

    由于转子铁芯每段相同,故取其中一段进行分析。由于转轴变形挠度较小,故可以忽略。转子最重要的是转子铁芯,分析转子分布在最大转速下及静态时转子的应力和偏心情况。本文利用Hypermesh软件进行模型网格构建。将模型转换为step格式,导入Hypermesh中,转子铁芯采用四面体网格,转轴和磁钢采用六面体网格,转子模型网格如下图所示:

转子网格图

图1 转子网格图

    将转子铁芯内圆与转轴分别设置接触面及接触对,二者采用过盈连接,并在property中设置过盈量clearance为双边过盈量的一半0.0129mm,定义摩擦系数为0.1。设置离心力:选择rforce,以铁芯中心为旋转中心。将轴两端利用RBE2进行固定,导出fem文件,后利用Optisrtuct求解器进行求解。

3 仿真结果分析

    得到最高转速下转子铁芯应力分布及变形量如下图2、3所示。

最大转速下转子铁芯应力分布图

图2 最大转速下转子铁芯应力分布图

最大转速下转子铁芯径向变形图

图3 最大转速下转子铁芯径向变形图

    根据仿真结果,在转速最高时,最大应力发生在键槽处,其值小于许用应力340Mpa,满足强度要求。转子最大径向变形为0.02854mm,转子最大变形量小于气隙的10%,所分析转子在该状态下满足条件。

    如图4、5所示,为转子静态工况下,转子应力分布图及变形图。

静态工况下转子铁芯应力分布图

图4 静态工况下转子铁芯应力分布图

静态工况下转子铁芯径向变形图

图5 静态工况下转子铁芯径向变形图

    根据仿真结果,最大应力发生在键槽处,其值小于许用应力340Mpa,满足强度要求。转子最大径向变形为0.02130mm,最大变形处为与轴接触面,转子最大变形量小于气隙的10%,所分析转子在该状态下满足条件。

4 结论

    本文考虑了冷压对转子过盈量的减小,根据某电机的转子对转子铁芯进行有限元分析。转子所受载荷为旋转引起的离心力、过盈配合接触力以及转子偏心引起的单边磁拉力。在该条件下,分析转子在最大转速及静态时转子铁芯应力、变形情况,结果满足条件,为后续电机的仿真提供一定参考价值。

责任编辑:程玥
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