電動(dòng)飛機(jī)主推進(jìn)永磁同步電機(jī)強(qiáng)度分析

郭嘉成，王 森，趙陽(yáng)陽(yáng)，閆鴻魁，呂宗樞

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.電力學(xué)院; b.自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

電動(dòng)飛機(jī)主推進(jìn)永磁同步電機(jī)強(qiáng)度分析

郭嘉成a，王 森b，趙陽(yáng)陽(yáng)a，閆鴻魁b，呂宗樞a

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.電力學(xué)院; b.自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

為避免電動(dòng)飛機(jī)飛行中主推進(jìn)電機(jī)受多重載荷作用而可能導(dǎo)致強(qiáng)度不足的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)強(qiáng)度進(jìn)行分析，研究了定子與機(jī)殼之間的過(guò)盈配合方法。利用有限元軟件分別對(duì)爬升階段與巡航階段電動(dòng)飛機(jī)主推進(jìn)電機(jī)定子與機(jī)殼和端蓋強(qiáng)度特性進(jìn)行仿真，分析了支撐筋寬度對(duì)電機(jī)強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)可滿足機(jī)械強(qiáng)度要求，能減輕電機(jī)整機(jī)重量。

機(jī)械強(qiáng)度；永磁同步電機(jī)；有限元

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)飛機(jī)電機(jī)的強(qiáng)度進(jìn)行了研究分析，并取得了一定成果。文獻(xiàn)[1]研究了表面貼式和內(nèi)置式永磁電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題，建立了永磁體和護(hù)套的過(guò)盈量與電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的關(guān)系模型，并采用接觸有限元法和等效環(huán)法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分析，提出過(guò)盈配合、轉(zhuǎn)子熱膨脹和離心力是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要綜合考慮的因素。文獻(xiàn)[2]對(duì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析進(jìn)行了研究，分別從永磁體材料的選擇，永磁體的保護(hù)方式，轉(zhuǎn)子外徑和電機(jī)極數(shù)的選取等方面研究了電機(jī)強(qiáng)度的影響。用解析法計(jì)算了永磁體強(qiáng)度并用有限元軟件仿真了一臺(tái)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的高速永磁電機(jī)，得到的仿真結(jié)果與解析法的分析相一致。文獻(xiàn)[3]給出了降低混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)上的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心機(jī)械壓力的方法，并結(jié)合電機(jī)的機(jī)械和電磁特性，利用有限元軟件分析了動(dòng)態(tài)速度剖面耐久性的問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]針對(duì)飛輪儲(chǔ)能非均質(zhì)各向異性復(fù)合轉(zhuǎn)子做了研究分析，建立簡(jiǎn)單的計(jì)算模型，用解析方法算出了復(fù)合材料飛輪應(yīng)力和位移，并比較了不同材料對(duì)應(yīng)力和位移分布的影響。

以上研究均是從轉(zhuǎn)子角度對(duì)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度分析，下面將以永磁同步電機(jī)定子與機(jī)殼為研究對(duì)象，分析過(guò)盈量對(duì)電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的影響。根據(jù)飛機(jī)在爬升階段與巡航階段的不同工況，利用有限元仿真軟件對(duì)主推進(jìn)永磁同步電機(jī)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

1 電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度分析

假設(shè)在飛行過(guò)程中，主推進(jìn)電機(jī)各部分零件產(chǎn)生的熱量是均勻分布的，并且在分析中考慮了軸向應(yīng)力的影響。此外，為了提高強(qiáng)度，定子與機(jī)殼采用過(guò)盈配合，因此想要計(jì)算定子與機(jī)殼之間的壓力必須首先計(jì)算定子與機(jī)殼的過(guò)盈量。

1.1 定子與機(jī)殼位移分析

1)靜態(tài)過(guò)盈量

靜態(tài)過(guò)盈量等于定子半徑與機(jī)殼半徑之差：

δd=rm0-rei

(1)

式中,rm0為定子半徑；rei為機(jī)殼半徑。

2)旋轉(zhuǎn)位移及旋轉(zhuǎn)過(guò)盈量

由于電動(dòng)飛機(jī)在飛行過(guò)程中受氣流的沖擊及旋轉(zhuǎn)離心力的作用，定子和機(jī)殼均產(chǎn)生徑向位移分別為：

機(jī)殼位移：

(2)

定子位移：

(3)

式中，ρe，ρm，Ee，Em，ve，vm分別為機(jī)殼和定子的密度、彈性模量和泊松比；ω為旋轉(zhuǎn)角速度。

由于旋轉(zhuǎn)變形而減少的過(guò)盈量為：

Δδd=udyei-udym0

(4)

3)溫度位移及總過(guò)盈量

溫度位移：

(5)

定子與機(jī)殼間總的靜態(tài)過(guò)盈量為[5]

δ=δd-Δδd-u

(6)

1.2 定子與機(jī)殼間靜壓力

(7)

2)工作靜壓力

當(dāng)物體各部分溫度發(fā)生變化時(shí)，由于自由膨脹受到約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)物體受外力作用及溫度影響時(shí)，根據(jù)線性熱應(yīng)力理論，應(yīng)力是由兩部分疊加的，其中一部分是與溫度-q變化成比例，且在所有方向上有相同的壓力-β(β為熱應(yīng)力系數(shù))，另一部分則是溫度不變而由外力產(chǎn)生的應(yīng)力[6]。

考慮旋轉(zhuǎn)離心力及溫度情況，定子與機(jī)殼的工作靜壓力為

(8)

在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)考慮軸向應(yīng)力的影響，可得到定子與機(jī)殼的應(yīng)力分布：

(9)

式中，δx，δy，δz分別為垂直徑向、水平徑向和軸向的應(yīng)力。

2 有限元仿真分析

由于飛機(jī)飛行工況的特殊性，不同飛行階段主推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的工況都不相同，所以對(duì)飛機(jī)爬升階段和巡航階段主推進(jìn)電機(jī)的工況進(jìn)行有限元分析。由于飛機(jī)爬升時(shí)所需功率最大，而巡航達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后功率又有所降低。因此，在對(duì)機(jī)殼和端蓋進(jìn)行有限元仿真時(shí)，需得到不同階段的仿真圖，以避免由于強(qiáng)度過(guò)低、形變量過(guò)大而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子掃膛情況的出現(xiàn)。

2.1 定子與機(jī)殼強(qiáng)度仿真分析

根據(jù)飛機(jī)飛行時(shí)的不同工況，對(duì)主推進(jìn)電機(jī)的定子與機(jī)殼進(jìn)行條件約束，結(jié)合定子與機(jī)殼之間的壓應(yīng)力、機(jī)殼的材料屬性(如表1所示)以及溫度對(duì)材料膨脹的影響，利用有限元仿真軟件對(duì)飛機(jī)爬升階段與巡航階段不同飛行工況時(shí)的永磁同步電機(jī)定子與機(jī)殼進(jìn)行強(qiáng)度仿真，得到仿真結(jié)果如圖1、圖2所示。

表1 永磁同步電機(jī)機(jī)殼材料屬性

圖1 飛機(jī)爬升時(shí)的機(jī)殼形變

圖2 飛機(jī)巡航時(shí)的機(jī)殼形變

通過(guò)對(duì)比不同時(shí)期仿真圖可以看出，爬升階段機(jī)殼最大形變量為4.146e-003 mm，巡航階段機(jī)殼最大形變量為2.490e-003 mm。仿真結(jié)果表明，飛機(jī)在爬升時(shí)對(duì)主推進(jìn)電機(jī)機(jī)殼強(qiáng)度的要求比在巡航時(shí)要高出40%。

2.2 端蓋強(qiáng)度仿真分析

由于電動(dòng)飛機(jī)主推進(jìn)電機(jī)工作時(shí)端蓋要承受螺旋槳產(chǎn)生的拉力，并且?guī)?dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的扭力，所以端蓋強(qiáng)度對(duì)電機(jī)性能的影響非常重要。圖3為飛機(jī)爬升階段電機(jī)端蓋形變圖，圖4為飛機(jī)巡航階段電機(jī)端蓋形變圖。

圖3 飛機(jī)爬升時(shí)端蓋形變

圖4 飛機(jī)巡航時(shí)端蓋形變

通過(guò)對(duì)比不同時(shí)期仿真圖可以看出，端蓋中心軸處因?yàn)樾枰惺茌^大的拉力和扭力，所以形變量最大。爬升階段端蓋最大形變量為8.852e-002 mm，巡航階段端蓋最大形變量為5.909e-002 mm。由此可見(jiàn)，電機(jī)端蓋形變量較小，強(qiáng)度滿足要求。

2.3 支撐筋對(duì)機(jī)殼的影響分析

支撐筋是影響機(jī)殼強(qiáng)度的重要因素。支撐筋越細(xì)，電機(jī)的質(zhì)量就越小，有利于提高電機(jī)的力能密度，但同時(shí)也導(dǎo)致機(jī)殼的機(jī)械強(qiáng)度下降。因此，如何選擇支撐筋的寬度，是保證電機(jī)強(qiáng)度滿足要求的重要因素。

支撐筋不同寬度時(shí)機(jī)殼最大應(yīng)力和最大形變曲線如圖5所示。

通過(guò)對(duì)比機(jī)殼的最大應(yīng)力和最大形變量可以看出，隨著支撐筋寬度的增大，機(jī)殼所承受的應(yīng)力逐漸增強(qiáng)，而機(jī)殼的形變量逐漸變小。因此，選擇一個(gè)合適的支撐筋寬度，才能滿足電機(jī)強(qiáng)度的要求。

圖5 支撐筋不同寬度時(shí)的機(jī)殼的應(yīng)力和形變

3 結(jié) 語(yǔ)

研究了電動(dòng)飛機(jī)主推進(jìn)永磁同步電機(jī)的強(qiáng)度問(wèn)題。定量分析了定子和機(jī)殼所承受的應(yīng)力與形變位移，并用有限元軟件仿真得到機(jī)殼、端蓋的強(qiáng)度仿真圖，得出以下結(jié)論：

1)電動(dòng)飛機(jī)主推進(jìn)電機(jī)在飛行中要承受較大的拉應(yīng)力，所以電機(jī)定子和機(jī)殼需要采用過(guò)盈配合的方式來(lái)施加一定的預(yù)壓力。因此，通過(guò)準(zhǔn)確的應(yīng)力分析確定過(guò)盈量，可保證電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度。

2)由于電動(dòng)飛機(jī)在爬升階段和巡航階段的飛行工況不同，導(dǎo)致兩個(gè)不同時(shí)期機(jī)殼和端蓋的形變量不同，在爬升時(shí)期對(duì)機(jī)殼和端蓋強(qiáng)度的要求要比巡航時(shí)期高出40%。

3)支撐筋寬度對(duì)電機(jī)強(qiáng)度有一定影響，支撐筋寬度越大，機(jī)殼所承受的應(yīng)力越大，形變量越小。選擇合適的支撐筋寬度，可滿足電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的要求。

[1]張 濤，朱熀秋，孫曉東,等.基于有限元法的高速永磁轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012，16(6)：63-68.

[2]王繼強(qiáng)，王鳳翔，鮑文博，等.高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(15)：140-145.

[3]劉 堅(jiān)，黃守道，浦清云,等.內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2011，39(3)：21-23.

[4]李 成，常向前，鄭艷萍，等.復(fù)合材料儲(chǔ)能飛輪應(yīng)力位移場(chǎng)分析及與均質(zhì)材料飛輪比較[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28(10)：1168-l172.

[5]羅 敏，李巧珍，蔣海洋,等.加熱爐直段爐管與管內(nèi)外流體多場(chǎng)耦合分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(35)：8862-8866.

[6]趙天環(huán)，高國(guó)旺，王衛(wèi)民,等.基于ANSYS的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2013，40(5)：6-9.

[7]趙陽(yáng)陽(yáng)，閆鴻魁，王 森，等.基于混沌遺傳算法的永磁無(wú)刷電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，12(3)：234-238.

(責(zé)任編輯 佟金鍇 校對(duì) 魏靜敏)

Strength Analysis Research on Permanent Magnet Synchronous Motor of Electric Aircraft Main Propulsion

GUO Jia-chenga，WANG Senb，ZHAO Yang-yanga，YAN Hong-kuib，LV Zong-shua

(Shenyang Institute of Engineering a.College of Electric Power，b.College of Automation， Shenyang 110136,Liaoning Province)

In order to avoid the problem of insufficient strength on electric aircraft main propulsion motor under multiple loads,through the analysis of the strength on permanent magnet synchronous motor,the method of interference fit between stator and casing is studied.Finite element software is used to simulate the strength characteristics of the stator and casing system and the end cover in climbing stage and in cruising stage.The effect of the support bar for the motor strength is analyzed.Based on the study of analytical results,the motor structure is optimized to meet the requirements of mechanical strength and save weight.

Mechanical strength;Permanent magnet synchronous motor;Finite element

2016-02-29

博士啟動(dòng)基金(201501088)；遼寧省教育廳項(xiàng)目(L2015374)

郭嘉成(1988-),男，遼寧朝陽(yáng)人，碩士研究生。

王 森(1983-),男，遼寧盤(pán)錦人，講師，博士，主要從事特種電機(jī)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.008

TM341

A

1673-1603(2016)04-0328-04