田中梁， 吳鵬飛， 仝宇， 孫巖樺

(西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著近幾年我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，其核心部件的研發(fā)越來越受重視[1]。車用電機既可作為電動汽車的主要動力裝置，也可用作車用油泵，氣泵和空調(diào)等的執(zhí)行機構(gòu)，是新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重點攻關(guān)領(lǐng)域。車用電機的應(yīng)用環(huán)境，要求電機具有高效率、低噪聲、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速范圍等優(yōu)點，為車用電機研究提供了目標和方向[2-4]。

車用電機作為驅(qū)動電機主要有異步感應(yīng)電機和永磁同步電機，特斯拉使用了銅芯轉(zhuǎn)子技術(shù)[5]，對感應(yīng)電機效率給予了優(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并采用了內(nèi)置式永磁體[6]。其中，作為驅(qū)動電機的永磁同步電機以磁阻型為主，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也抑制了電機中的電磁噪聲[7]。

由于車用電機整機性能的應(yīng)用需求的進一步提高，定子結(jié)構(gòu)也在一直發(fā)展改進。新一代電機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，優(yōu)化了電機定子的齒槽結(jié)構(gòu)，不僅可以提高電機的功率密度，而且可以大幅降低電機運行時的鐵損和銅損，從而大大提高電機的效率。

車用新一代電機定子結(jié)構(gòu)的研究近幾年取得了長足的進展。日本學(xué)者使用35ZH115取向硅鋼片設(shè)計了永磁同步電機，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)計了開關(guān)磁阻電機[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取向硅鋼片定子軛部的拼接式定子及電機[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]等對不同定子拼接形狀對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響進行了分析。夏加寬[16]的計算表明取向硅鋼片可以提高電機輸出轉(zhuǎn)矩。趙小軍[17-18]對交直流混合激勵下取向硅鋼片的動態(tài)、靜態(tài)磁滯和損耗特性進行測量。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)，并進行了試驗驗證。

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：在機械工藝方面，定子齒部和軛部可以分別制造加工疊片，簡化了工藝，易于制造加工；此外，由于齒軛分別加工，在材料沖片時可以提高材料利用率，節(jié)省了材料。缺點是拼接結(jié)構(gòu)的緊固和強度問題，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)強度。

本文對采用齒軛分離結(jié)構(gòu)的電機定子進行改進，用有限元法對各結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究，重點分析實際裝配工藝中過盈量、接觸邊界、熱套溫度等因素對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，以及定子內(nèi)的應(yīng)力分布特點和最大應(yīng)力隨主要參數(shù)的變化規(guī)律。

1 齒軛分離定子結(jié)構(gòu)

同步電機定子主磁路分布較為簡單，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_到最優(yōu)，定子采用了取向硅鋼片，故必須設(shè)計齒軛分離的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的使用無取向硅鋼片的電機相比，新型電機的主磁路具有更低的磁阻，在磁動勢一定的情況下，可以有效減小鐵損，提高電機的功率密度。

圖1 齒軛分離結(jié)構(gòu)電機原理示意圖

文獻[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[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[13]采用了較簡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產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中。因此，本文將文獻[13]的齒結(jié)構(gòu)根部優(yōu)化為帶有圓角的簡單四邊形結(jié)構(gòu)，齒端部仍保持原有的槽結(jié)構(gòu)。所分析的電機基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，參數(shù)如表1所示。該電機有72個齒槽，相應(yīng)磁軛也分成了72段拼接而成。整個電機定子外部是過盈裝配的冷卻水套。并根據(jù)此設(shè)計新結(jié)構(gòu)實際加工樣機，如圖3所示。

圖2 齒軛分離定子結(jié)構(gòu)改進前后對比

表1 齒軛分離結(jié)構(gòu)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 齒軛分離結(jié)構(gòu)電機定子樣機

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要明顯高于剪切方向上的膝點。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)電機材料屬性

2 榫接結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 分析方法

考慮到模型的對稱性，利用有限元軟件分析齒軛分離的榫接結(jié)構(gòu)時，只需要建立一個齒和相應(yīng)的兩個半塊磁軛的有限元模型，采用循環(huán)對稱邊界條件即可。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盈配合也為摩擦接觸。此外，做為對比，在分析時還可以將齒和軛的接觸面綁定，模擬齒軛一體結(jié)構(gòu)。

2.2 電磁力對榫接結(jié)構(gòu)的影響

在磁極的極靴頂部向內(nèi)沿徑向施加載荷Fn模擬電機的徑向磁拉力，同時在切向施加載荷Fa模擬電機的負載運行。當(dāng)Fn=1 000 N,Fa=500 N，鋁套過盈量為50 μm時，計算結(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準則，其最大應(yīng)力229 MPa，沒有超過材料的屈服強度極限，故在電磁作用下結(jié)構(gòu)沒有損壞。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出現(xiàn)周期性應(yīng)力變化。為了保證電機的可靠運行，設(shè)計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，超過材料的屈服強度。

對于齒軛分離的榫接結(jié)構(gòu)，齒軛的配合形狀會影響局部的接觸應(yīng)力，考慮到電機設(shè)計中齒槽數(shù)，齒槽寬度等電氣參數(shù)已經(jīng)確定，簡單起見，考慮榫接高度Hn和張角α對局部接觸應(yīng)力的影響,如圖5所示。在鋁套過盈量為50 μm，電磁力為1 000 N時，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，如果考慮電機磁路設(shè)計，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)。

2.3 緊固套對榫接結(jié)構(gòu)的影響

對于齒軛分離的榫接結(jié)構(gòu)，外面的鋁套一般采用過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電機定子冷卻，同時也是整個拼接結(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盈配合，兩者之間的過盈量必然會影響拼接結(jié)構(gòu)的完整性和局部的接觸應(yīng)力。因此，電機設(shè)計時必須進行過盈量分析。

改變磁軛與鋁套配合的過盈量，使用不同接觸邊界進行有限元計算，其最大等效應(yīng)力隨過盈量的變化如圖7所示?？梢?，隨著磁軛與外層套配合過盈量的增大，各部分最大等效應(yīng)力均近似線性增大。在過盈量從30 μm增大到110 μm時，最大等效應(yīng)力從105 MPa增大到297 MPa。

圖7 過盈量與榫接結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力關(guān)系圖

在切向電磁力作用時，由于榫接結(jié)構(gòu)兩端受力的不對稱，榫接結(jié)構(gòu)接觸摩擦力的分布發(fā)生不對稱的變化，使其非線性較強。通過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，過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。

2.4 熱裝配對榫接結(jié)構(gòu)的影響

考慮齒軛分離結(jié)構(gòu)電機裝配過程，可以先將所有磁軛單元拼接成一個完整的磁軛，然后以過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)整個結(jié)構(gòu)加熱時，裝配結(jié)構(gòu)的過盈量會減小，如果溫度太高，那么過盈量消失，整個裝配結(jié)構(gòu)會失效，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，裝配的過盈量是δ，那么當(dāng)Δdt-Δde=δ時，過盈量消失，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)。

對于本文所研究的電機，考慮熱裝配時的有限元計算結(jié)果如表3所示。在磁軛拼接好后用鋁套過盈裝配壓緊，計算顯示磁軛插入齒片的槽口有所減小，然后通過熱裝使槽口脹大。在不同裝配過盈量下，磁軛榫槽槽口減小量均小于熱裝增大量，證明其可以達到裝配要求。其允許的加熱溫升和榫槽槽口變化量隨過盈量變化呈線性變化趨勢。

表3 裝配變形表

另一種裝配方法工藝較為簡單，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盈配合的影響，可以按照實際需要的裝配間隙通過式(2)來確定。但其缺點是由于齒軛是分離結(jié)構(gòu)，很難保證裝配沒有間隙，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)一般有一定的過盈量。而熱套裝配計算結(jié)果表明，磁軛和齒片的過盈量不能太大。應(yīng)力計算顯示，在該配合的過盈量超過5 μm時，局部的最大應(yīng)力就已經(jīng)超過了硅鋼片材料的屈服強度。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到1.6～0.4 μm，因此，在保證沖裁的尺寸精度時，可以通過精密沖裁的方法加工齒和軛部的硅鋼片。

對比兩種工藝方法可知，第一種方法齒片裝配一致性好，但齒片和磁軛進行熱裝配對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，易于實現(xiàn)也滿足精度要求，本樣機采用第二種工藝流程。同時應(yīng)用2.2節(jié)有限元方法進行校核，電機負載運行時產(chǎn)生的附加電磁力不會增加齒槽配合結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力，相反，齒頂?shù)氖芰p小榫槽配合部位的最大局部應(yīng)力。在現(xiàn)有的電機結(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負載運行時齒槽可靠配合不分離的要求。

3 榫接結(jié)構(gòu)動力學(xué)有限元分析

對于榫接結(jié)構(gòu)的有限元分析，當(dāng)一個完整的結(jié)構(gòu)被切開從而分成不同的部分時，其振動模態(tài)會發(fā)生變化，但如果通過一定的預(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，分別進行了模態(tài)分析，并比較了拼接結(jié)構(gòu)對定子振動模態(tài)的影響。

如圖8所示，頻率最低的模態(tài)是齒本身的振動，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，對應(yīng)最低階的模態(tài)頻率是1 574 Hz，遠遠大于齒的振動頻率。因此，定子的模態(tài)主要表現(xiàn)為齒的振動，其它部位的振動相對較弱。在研究電機的噪聲和振動問題時，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)，過盈量為0

由于齒和磁軛之間是通過外部過盈裝配的緊固套來壓緊，使各接觸面間保持足夠的接觸應(yīng)力，因此，需要對榫槽拼接結(jié)構(gòu)進行考慮預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。在有限元分析過程中，首先進行給定磁軛和外層的鋁套過盈量的靜態(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)為邊界條件進行模態(tài)分析。

定子接觸界面采用接觸模型時的前5階模態(tài)與綁定時的前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盈量Infe時定子的模態(tài)頻率。對于整體定子結(jié)構(gòu)，由過盈裝配產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力對模態(tài)頻率的影響很小，可以忽略不計。與綁定接觸模型相比，采用摩擦接觸模型時定子的前4階模態(tài)頻率會降低，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，過盈量增大時，模態(tài)頻率有所減小，但是減小幅度不大。綁定約束計算結(jié)果在過盈量增大時，模態(tài)頻率也有所減小，當(dāng)階次越高，過盈量的影響越小。

表4 定子前5階模態(tài)

4 結(jié) 論

本文對采用齒軛分離結(jié)構(gòu)的電機定子結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，研究了各榫接結(jié)構(gòu)參數(shù)對定子結(jié)構(gòu)強度的影響，重點分析了過盈量、接觸邊界、熱套溫度等參數(shù)對定子內(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)電機的設(shè)計并進行了整機性能測試。和采用整體無取向硅鋼片結(jié)構(gòu)的原型電機相比，本文所研究電機的峰值功率、最大效率、高效區(qū)等各方面性能都高于原型電機。此外，實際產(chǎn)品的加工精度和裝配工藝也會影響拼接結(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。電機負載運行時產(chǎn)生的附加電磁力不會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-套過盈配合的電機定子結(jié)構(gòu)強度分析模型，其各部分最大等效應(yīng)力隨過盈量近似線性增大；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)力整體分布仍隨過盈量呈線性變化。

3)在進行定子的組裝時，對兩種工藝方案的可行性進行了分析計算。計算結(jié)果表明，齒槽配合部分能夠允許的過盈量很小，允許的單側(cè)過盈量為2～3 μm，因此對齒和槽的加工精度提出很高的要求。先進行磁軛和齒片榫接，后熱裝配鋁套的工藝流程經(jīng)濟性好，易于實施。電機負載運行時產(chǎn)生的附加電磁力不會增加齒槽配合結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力。

4)建立了考慮磁軛和鋁套過盈配合的電機定子結(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盈量對模態(tài)的影響較小。