田中梁, 吳鵬飛, 仝宇, 孫巖樺
(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710049)
隨著近幾年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,其核心部件的研發(fā)越來(lái)越受重視[1]。車用電機(jī)既可作為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿ρb置,也可用作車用油泵,氣泵和空調(diào)等的執(zhí)行機(jī)構(gòu),是新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域。車用電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境,要求電機(jī)具有高效率、低噪聲、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn),為車用電機(jī)研究提供了目標(biāo)和方向[2-4]。
車用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有異步感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī),特斯拉使用了銅芯轉(zhuǎn)子技術(shù)[5],對(duì)感應(yīng)電機(jī)效率給予了優(yōu)化,降低了成本并提高了全轉(zhuǎn)速工況的效率。其余廠商使用了永磁同步電機(jī)并采用了內(nèi)置式永磁體[6]。其中,作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的永磁同步電機(jī)以磁阻型為主,以充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩的作用。永磁體采用嵌入式結(jié)構(gòu),在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)應(yīng)用中,通常在轉(zhuǎn)子周向用分段設(shè)置的斜槽和斜極內(nèi)置永磁體,這樣不僅降低了諧波,在改善輸出性能同時(shí)也抑制了電機(jī)中的電磁噪聲[7]。
由于車用電機(jī)整機(jī)性能的應(yīng)用需求的進(jìn)一步提高,定子結(jié)構(gòu)也在一直發(fā)展改進(jìn)。新一代電機(jī)提出了以取向硅鋼片作為主磁路導(dǎo)磁材料的定子結(jié)構(gòu)形式,利用取向硅鋼片鐵損低、軋制方向?qū)Т判阅芎?,磁通密度高等?yōu)點(diǎn),優(yōu)化了電機(jī)定子的齒槽結(jié)構(gòu),不僅可以提高電機(jī)的功率密度,而且可以大幅降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵損和銅損,從而大大提高電機(jī)的效率。
車用新一代電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的研究近幾年取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。日本學(xué)者使用35ZH115取向硅鋼片設(shè)計(jì)了永磁同步電機(jī),使其降低了鐵耗,增加了轉(zhuǎn)矩[8-9]。馬霽旻用取向硅鋼片設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)[10-11]。上海日立電器有限公司提出了取向硅鋼片定子齒部和無(wú)取向硅鋼片定子軛部的拼接式定子及電機(jī)[12]。曹宇軒和北京首鋼股份有限公司分別提出了使用取向硅鋼片的齒軛拼接式定子鐵心結(jié)構(gòu)[13-14]。袁健[15]等對(duì)不同定子拼接形狀對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響進(jìn)行了分析。夏加寬[16]的計(jì)算表明取向硅鋼片可以提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。趙小軍[17-18]對(duì)交直流混合激勵(lì)下取向硅鋼片的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)磁滯和損耗特性進(jìn)行測(cè)量。李山紅[19]等研究了拼接成型的低損耗非晶定子鐵心結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
上述研究表明,當(dāng)采用取向硅鋼片作為導(dǎo)磁材料,由于定子齒部同磁軛磁路方向不同,就必須采用齒軛分離的結(jié)構(gòu)形式:定子的齒部和軛部用不同取向的硅鋼片拼接而成。這樣做的好處是:在機(jī)械工藝方面,定子齒部和軛部可以分別制造加工疊片,簡(jiǎn)化了工藝,易于制造加工;此外,由于齒軛分別加工,在材料沖片時(shí)可以提高材料利用率,節(jié)省了材料。缺點(diǎn)是拼接結(jié)構(gòu)的緊固和強(qiáng)度問(wèn)題,要保證拼接后的結(jié)構(gòu)具有和整體定子結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
本文對(duì)采用齒軛分離結(jié)構(gòu)的電機(jī)定子進(jìn)行改進(jìn),用有限元法對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究,重點(diǎn)分析實(shí)際裝配工藝中過(guò)盈量、接觸邊界、熱套溫度等因素對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響,以及定子內(nèi)的應(yīng)力分布特點(diǎn)和最大應(yīng)力隨主要參數(shù)的變化規(guī)律。
同步電機(jī)定子主磁路分布較為簡(jiǎn)單,其中定子齒部為徑向磁力線,定子軛部為周向磁力線,如圖1所示。在車用電機(jī)中,轉(zhuǎn)子一般采用內(nèi)置永磁體結(jié)構(gòu)。為了使局部方向?qū)Т判阅苓_(dá)到最優(yōu),定子采用了取向硅鋼片,故必須設(shè)計(jì)齒軛分離的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的使用無(wú)取向硅鋼片的電機(jī)相比,新型電機(jī)的主磁路具有更低的磁阻,在磁動(dòng)勢(shì)一定的情況下,可以有效減小鐵損,提高電機(jī)的功率密度。
圖1 齒軛分離結(jié)構(gòu)電機(jī)原理示意圖
文獻(xiàn)[13-14]提出使用取向硅鋼片的齒軛拼接式定子鐵心結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[14]采用了形狀復(fù)雜的榫接結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)需要采用復(fù)雜的拼接和裝配工藝;文獻(xiàn)[13]采用了較簡(jiǎn)單的齒片與磁軛榫接方式,但榫接部位為矛形結(jié)構(gòu),存在明顯的階梯尖角,尖角部位在受力情況下會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中。因此,本文將文獻(xiàn)[13]的齒結(jié)構(gòu)根部?jī)?yōu)化為帶有圓角的簡(jiǎn)單四邊形結(jié)構(gòu),齒端部仍保持原有的槽結(jié)構(gòu)。所分析的電機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,參數(shù)如表1所示。該電機(jī)有72個(gè)齒槽,相應(yīng)磁軛也分成了72段拼接而成。整個(gè)電機(jī)定子外部是過(guò)盈裝配的冷卻水套。并根據(jù)此設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)實(shí)際加工樣機(jī),如圖3所示。
圖2 齒軛分離定子結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比
表1 齒軛分離結(jié)構(gòu)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)
圖3 齒軛分離結(jié)構(gòu)電機(jī)定子樣機(jī)
取向硅鋼片是一種各向異性的硅鋼片。其軋制方向上的膝點(diǎn)要明顯高于剪切方向上的膝點(diǎn)。本文分析所用取向硅鋼片為日本川崎35JG155,鋁合金套為6061型材,材料特性參數(shù)如表2所示。
表2 齒軛分離結(jié)構(gòu)電機(jī)材料屬性
考慮到模型的對(duì)稱性,利用有限元軟件分析齒軛分離的榫接結(jié)構(gòu)時(shí),只需要建立一個(gè)齒和相應(yīng)的兩個(gè)半塊磁軛的有限元模型,采用循環(huán)對(duì)稱邊界條件即可。最終建立的有限元分析模型如圖4所示,齒與軛的榫接結(jié)構(gòu)采用摩擦接觸,磁軛與鋁合金套之間的過(guò)盈配合也為摩擦接觸。此外,做為對(duì)比,在分析時(shí)還可以將齒和軛的接觸面綁定,模擬齒軛一體結(jié)構(gòu)。
在磁極的極靴頂部向內(nèi)沿徑向施加載荷Fn模擬電機(jī)的徑向磁拉力,同時(shí)在切向施加載荷Fa模擬電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行。當(dāng)Fn=1 000 N,Fa=500 N,鋁套過(guò)盈量為50 μm時(shí),計(jì)算結(jié)果如圖4所示。
圖4 榫接結(jié)構(gòu)受磁拉力應(yīng)力圖
在榫接部分應(yīng)力最大,但帶有圓角齒結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力要比尖角齒結(jié)構(gòu)減小20%以上,有明顯的優(yōu)化效果。在摩擦接觸約束下,定子內(nèi)的最大應(yīng)力部位為齒片插入磁軛的圓角處。按照Von Mises準(zhǔn)則,其最大應(yīng)力229 MPa,沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度極限,故在電磁作用下結(jié)構(gòu)沒(méi)有損壞。比較于綁定約束,磁軛分離的結(jié)構(gòu)使得接觸部位的應(yīng)力增大了30%,這表明采用齒軛分離的結(jié)構(gòu),由于局部的不連續(xù),使得接觸部分的應(yīng)力大大增加。在周期性電磁力作用下,齒與磁軛的裝配面會(huì)出現(xiàn)周期性應(yīng)力變化。為了保證電機(jī)的可靠運(yùn)行,設(shè)計(jì)中要合理考慮各方面因素,既要保證壓緊的需要,又不能出現(xiàn)局部的分離,超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度。
對(duì)于齒軛分離的榫接結(jié)構(gòu),齒軛的配合形狀會(huì)影響局部的接觸應(yīng)力,考慮到電機(jī)設(shè)計(jì)中齒槽數(shù),齒槽寬度等電氣參數(shù)已經(jīng)確定,簡(jiǎn)單起見(jiàn),考慮榫接高度Hn和張角α對(duì)局部接觸應(yīng)力的影響,如圖5所示。在鋁套過(guò)盈量為50 μm,電磁力為1 000 N時(shí),齒片最大等效應(yīng)力隨高度Hn和張角α的變化如圖6所示。在錐度α角不變的情況下,隨著榫接高度的增加,最大等效應(yīng)力減小。計(jì)算結(jié)果表明在一定的高度范圍內(nèi),齒片最大等效應(yīng)力隨著高度Hn增加呈非線性減小。張角α應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明,張角越大,榫接部分越寬,最大應(yīng)力減小。其中,如果考慮電機(jī)磁路設(shè)計(jì),張角α和榫接高度Hn變化范圍不大,故可忽略掉非線性影響,即
圖5 榫接結(jié)構(gòu)單元示意
圖6 榫接參數(shù)與齒片最大等效應(yīng)力關(guān)系圖
δmax=k1Hn+k2α+Δ。
(1)
式中k1、k2是和榫接參數(shù)有關(guān)的系數(shù)。
對(duì)于齒軛分離的榫接結(jié)構(gòu),外面的鋁套一般采用過(guò)盈的方式裝配在定子的外圓面上。該鋁套既可以通入冷卻水對(duì)電機(jī)定子冷卻,同時(shí)也是整個(gè)拼接結(jié)構(gòu)的緊固套,可以保證拼接結(jié)構(gòu)的完整。由于鋁套和定子直接是過(guò)盈配合,兩者之間的過(guò)盈量必然會(huì)影響拼接結(jié)構(gòu)的完整性和局部的接觸應(yīng)力。因此,電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行過(guò)盈量分析。
改變磁軛與鋁套配合的過(guò)盈量,使用不同接觸邊界進(jìn)行有限元計(jì)算,其最大等效應(yīng)力隨過(guò)盈量的變化如圖7所示??梢?jiàn),隨著磁軛與外層套配合過(guò)盈量的增大,各部分最大等效應(yīng)力均近似線性增大。在過(guò)盈量從30 μm增大到110 μm時(shí),最大等效應(yīng)力從105 MPa增大到297 MPa。
圖7 過(guò)盈量與榫接結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力關(guān)系圖
在切向電磁力作用時(shí),由于榫接結(jié)構(gòu)兩端受力的不對(duì)稱,榫接結(jié)構(gòu)接觸摩擦力的分布發(fā)生不對(duì)稱的變化,使其非線性較強(qiáng)。通過(guò)查看各種情況下的接觸狀態(tài)和合力的應(yīng)力分布可知,在摩擦接觸約束時(shí),過(guò)盈量在不同方向電磁力作用下與齒片最大應(yīng)力基本呈線性關(guān)系。
考慮齒軛分離結(jié)構(gòu)電機(jī)裝配過(guò)程,可以先將所有磁軛單元拼接成一個(gè)完整的磁軛,然后以過(guò)盈的方式在外面裝入鋁套,最后用熱裝配的方法裝配定子齒片。磁軛榫接并裝入鋁套后,為了便于定子齒片的安裝,需要增加槽口寬度。如果采用熱裝工藝進(jìn)行定子齒和榫槽的裝配,那么需要考慮加熱后磁軛榫槽部分的變形。
由于已經(jīng)裝入的外鋁套的熱脹系數(shù)是硅鋼片的約兩倍,當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)加熱時(shí),裝配結(jié)構(gòu)的過(guò)盈量會(huì)減小,如果溫度太高,那么過(guò)盈量消失,整個(gè)裝配結(jié)構(gòu)會(huì)失效,因此需要估算允許的加熱溫度。
環(huán)形或圓形結(jié)構(gòu)直徑的熱膨脹量Δd為
Δd=DCΔT。
(2)
式中:D是直徑;C是材料的熱脹系數(shù);ΔT是溫升。若鋁套的熱膨脹量是Δdt,磁軛的熱脹量是Δde,裝配的過(guò)盈量是δ,那么當(dāng)Δdt-Δde=δ時(shí),過(guò)盈量消失,因此
(3)
式中:Ct是鋁套的熱脹系數(shù);Ce是磁軛的熱脹系數(shù)。
對(duì)于本文所研究的電機(jī),考慮熱裝配時(shí)的有限元計(jì)算結(jié)果如表3所示。在磁軛拼接好后用鋁套過(guò)盈裝配壓緊,計(jì)算顯示磁軛插入齒片的槽口有所減小,然后通過(guò)熱裝使槽口脹大。在不同裝配過(guò)盈量下,磁軛榫槽槽口減小量均小于熱裝增大量,證明其可以達(dá)到裝配要求。其允許的加熱溫升和榫槽槽口變化量隨過(guò)盈量變化呈線性變化趨勢(shì)。
表3 裝配變形表
另一種裝配方法工藝較為簡(jiǎn)單,即先將磁軛和齒片榫接為完整的定子結(jié)構(gòu),最后通過(guò)熱套的方式在外面裝入鋁套,其熱套榫槽槽口尺寸增大量與前面工藝類似。榫接加熱溫度不受鋁套過(guò)盈配合的影響,可以按照實(shí)際需要的裝配間隙通過(guò)式(2)來(lái)確定。但其缺點(diǎn)是由于齒軛是分離結(jié)構(gòu),很難保證裝配沒(méi)有間隙,需要工裝將其固定及壓緊,才能在外面裝入鋁套。
從上述計(jì)算結(jié)果可以看出,齒槽配合部分要求的加工精度很高。由于考慮到硅鋼片內(nèi)磁路不能有間隙,因而齒槽結(jié)構(gòu)一般有一定的過(guò)盈量。而熱套裝配計(jì)算結(jié)果表明,磁軛和齒片的過(guò)盈量不能太大。應(yīng)力計(jì)算顯示,在該配合的過(guò)盈量超過(guò)5 μm時(shí),局部的最大應(yīng)力就已經(jīng)超過(guò)了硅鋼片材料的屈服強(qiáng)度。故加工精度應(yīng)保持在2 μm以內(nèi)。在現(xiàn)有加工方法下,精密沖裁的斷面粗糙度值可達(dá)到1.6~0.4 μm,因此,在保證沖裁的尺寸精度時(shí),可以通過(guò)精密沖裁的方法加工齒和軛部的硅鋼片。
對(duì)比兩種工藝方法可知,第一種方法齒片裝配一致性好,但齒片和磁軛進(jìn)行熱裝配對(duì)兩者的加工精度和本身的材料性能有很高的要求;第二種方法用工裝壓緊保證裝配間隙,易于實(shí)現(xiàn)也滿足精度要求,本樣機(jī)采用第二種工藝流程。同時(shí)應(yīng)用2.2節(jié)有限元方法進(jìn)行校核,電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的附加電磁力不會(huì)增加齒槽配合結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力,相反,齒頂?shù)氖芰?huì)減小榫槽配合部位的最大局部應(yīng)力。在現(xiàn)有的電機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)下,齒槽的零間隙裝配也可以滿足電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)齒槽可靠配合不分離的要求。
對(duì)于榫接結(jié)構(gòu)的有限元分析,當(dāng)一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)被切開(kāi)從而分成不同的部分時(shí),其振動(dòng)模態(tài)會(huì)發(fā)生變化,但如果通過(guò)一定的預(yù)應(yīng)力使分割的結(jié)構(gòu)的接觸面之間能夠緊密接觸,在振動(dòng)中不出現(xiàn)分離,那么,可以將這種影響降到最小,使拼接結(jié)構(gòu)的模態(tài)盡可能接近原有的整體結(jié)構(gòu)。因此,在定子采用整體結(jié)構(gòu)和拼接結(jié)構(gòu)時(shí),分別進(jìn)行了模態(tài)分析,并比較了拼接結(jié)構(gòu)對(duì)定子振動(dòng)模態(tài)的影響。
如圖8所示,頻率最低的模態(tài)是齒本身的振動(dòng),頻率為887 Hz,其它的高階模態(tài)主要是定子軛部的整體變形,對(duì)應(yīng)最低階的模態(tài)頻率是1 574 Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于齒的振動(dòng)頻率。因此,定子的模態(tài)主要表現(xiàn)為齒的振動(dòng),其它部位的振動(dòng)相對(duì)較弱。在研究電機(jī)的噪聲和振動(dòng)問(wèn)題時(shí),需要分析電磁力高次諧波頻率與定子結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的關(guān)系,避免同頻共振。
圖8 定子前5階模態(tài),過(guò)盈量為0
由于齒和磁軛之間是通過(guò)外部過(guò)盈裝配的緊固套來(lái)壓緊,使各接觸面間保持足夠的接觸應(yīng)力,因此,需要對(duì)榫槽拼接結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。在有限元分析過(guò)程中,首先進(jìn)行給定磁軛和外層的鋁套過(guò)盈量的靜態(tài)分析,得到定子結(jié)構(gòu)各處的預(yù)應(yīng)力,然后以此應(yīng)力狀態(tài)下的各接觸面的接觸狀態(tài)為邊界條件進(jìn)行模態(tài)分析。
定子接觸界面采用接觸模型時(shí)的前5階模態(tài)與綁定時(shí)的前5階模態(tài)振型相似,但是模態(tài)頻率明顯減小。表4給出了兩種情況下不同過(guò)盈量Infe時(shí)定子的模態(tài)頻率。對(duì)于整體定子結(jié)構(gòu),由過(guò)盈裝配產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力對(duì)模態(tài)頻率的影響很小,可以忽略不計(jì)。與綁定接觸模型相比,采用摩擦接觸模型時(shí)定子的前4階模態(tài)頻率會(huì)降低,最大降低了約1 kHz。齒軛分離結(jié)構(gòu)采用摩擦接觸模型時(shí),過(guò)盈量增大時(shí),模態(tài)頻率有所減小,但是減小幅度不大。綁定約束計(jì)算結(jié)果在過(guò)盈量增大時(shí),模態(tài)頻率也有所減小,當(dāng)階次越高,過(guò)盈量的影響越小。
表4 定子前5階模態(tài)
本文對(duì)采用齒軛分離結(jié)構(gòu)的電機(jī)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析,研究了各榫接結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)定子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,重點(diǎn)分析了過(guò)盈量、接觸邊界、熱套溫度等參數(shù)對(duì)定子內(nèi)最大裝配應(yīng)力的影響。依據(jù)本文的分析結(jié)果完成了榫接結(jié)構(gòu)電機(jī)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了整機(jī)性能測(cè)試。和采用整體無(wú)取向硅鋼片結(jié)構(gòu)的原型電機(jī)相比,本文所研究電機(jī)的峰值功率、最大效率、高效區(qū)等各方面性能都高于原型電機(jī)。此外,實(shí)際產(chǎn)品的加工精度和裝配工藝也會(huì)影響拼接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,這方面的影響還需要后面進(jìn)一步的深入分析和研究。本文主要結(jié)論如下:
1)采用帶有圓角的簡(jiǎn)單四邊形齒片,可以在保證可靠配合的情況下有效減小拼接結(jié)構(gòu)部分的局部應(yīng)力。在保證磁路情況下,盡可能增大榫接高度,增大榫接張角。電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的附加電磁力不會(huì)大幅增加齒軛分離結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力。
2)建立了考慮磁軛-套過(guò)盈配合的電機(jī)定子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型,其各部分最大等效應(yīng)力隨過(guò)盈量近似線性增大;切向電磁力作用在摩擦接觸模型上,有一定的非線性影響,但應(yīng)力整體分布仍隨過(guò)盈量呈線性變化。
3)在進(jìn)行定子的組裝時(shí),對(duì)兩種工藝方案的可行性進(jìn)行了分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,齒槽配合部分能夠允許的過(guò)盈量很小,允許的單側(cè)過(guò)盈量為2~3 μm,因此對(duì)齒和槽的加工精度提出很高的要求。先進(jìn)行磁軛和齒片榫接,后熱裝配鋁套的工藝流程經(jīng)濟(jì)性好,易于實(shí)施。電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的附加電磁力不會(huì)增加齒槽配合結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力。
4)建立了考慮磁軛和鋁套過(guò)盈配合的電機(jī)定子結(jié)構(gòu)模態(tài)分析模型,分別分析了接觸界面采用摩擦接觸模型和綁定模型時(shí)的定子模態(tài)振型和頻率。結(jié)果表明,與綁定接觸模型相比,齒軛分離結(jié)構(gòu)摩擦接觸模型不改變定子的前5階模態(tài)振型,但是會(huì)使模態(tài)頻率大幅減小10%以上。此外,磁軛與外層鋁套的配合過(guò)盈量對(duì)模態(tài)的影響較小。