◇中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司 劉澤華

針對(duì)電機(jī)隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)性破壞問(wèn)題，以某電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，采用Ansys Workbench軟件建立電機(jī)的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，同時(shí)分析固有頻率下電機(jī)前、后端蓋以及機(jī)殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。結(jié)果表明，電機(jī)端蓋強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，電機(jī)機(jī)殼散熱片翅片邊緣處安全系數(shù)較低，分析結(jié)果為車用電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考依據(jù)。

在能源日益匱乏以及環(huán)境污染日益嚴(yán)重的嚴(yán)峻的形勢(shì)下，新能源電動(dòng)汽車的研發(fā)引起了世界各國(guó)的高度關(guān)注。為搶占市場(chǎng)份額、領(lǐng)跑市場(chǎng)，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用電機(jī)在設(shè)計(jì)上采取高密度、小型化、輕量化和低成本的設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輕薄、剛度和強(qiáng)度難以保證[1-2]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，機(jī)械振動(dòng)是導(dǎo)致電機(jī)疲勞、加速磨損、影響電機(jī)壽命的關(guān)鍵問(wèn)題，振動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破壞直接影響整車的安全性能，因此在隨機(jī)振動(dòng)狀態(tài)下研究電機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度意義重大。目前，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用電機(jī)中的永磁同步電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度和良好的調(diào)速性能等特點(diǎn)[3]，已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但其較大的過(guò)載能力、較高的電磁密度、較寬的調(diào)速范圍及復(fù)雜多變的工況，會(huì)增大共振的可能，進(jìn)而引起嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞。

為減少由惡劣工況下引起的結(jié)構(gòu)破壞，采用有限元法中的模態(tài)分析，利用Ansys Workbench校核電機(jī)機(jī)殼、前、后端蓋在隨機(jī)振動(dòng)下的結(jié)構(gòu)可靠性，為電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)提供決策依據(jù)。

1 電機(jī)的有限元模態(tài)分析

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模型

根據(jù)某樣機(jī)的實(shí)際尺寸，建立電機(jī)的三位模型，在有限元模型建立之前需要將結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的電機(jī)繞組、轉(zhuǎn)子組件等內(nèi)部零部件做相應(yīng)的模型簡(jiǎn)化處理，可有效減少計(jì)算量，同時(shí)提高計(jì)算精度，簡(jiǎn)化后整個(gè)電機(jī)的質(zhì)量約為 30kg，同時(shí)在簡(jiǎn)化掉的部件質(zhì)心處建立等效的質(zhì)量點(diǎn)。

表1 電機(jī)機(jī)蓋、端蓋以及定子的材料屬性

電機(jī)網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)有限元模型

1.2 電機(jī)的約束

電動(dòng)車上的電機(jī)一端固定在變速箱上，另一端懸置，因此對(duì)電機(jī)施加約束如圖2所示。

圖2 電機(jī)約束

1.3 邊界條件

對(duì)電機(jī)施加邊界條件，電機(jī)隨機(jī)振動(dòng)（加速度）功率譜按照隨機(jī)振動(dòng)GB/T28046.3-2011《道路車輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第3部分：機(jī)械負(fù)荷》，連接于變速器的要求，需對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，即水平四周以及垂直上下設(shè)置（參數(shù)見(jiàn)表2），加速度均方根值為96.6m/s2。

2 電機(jī)有限元模態(tài)結(jié)果

2.1 電機(jī)模態(tài)分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)Ansys Workbench的迭代計(jì)算得出模態(tài)分析的結(jié)果，由于隨機(jī)振動(dòng)的最大頻率為2000Hz，因此只列出前8階模態(tài)振型，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 電機(jī)前八階模態(tài)振型

電機(jī)的前八階振型如圖3所示，其中第一階、第二階和第三階均未出現(xiàn)明顯扭轉(zhuǎn)振型，第二階固有頻率和第三階固有頻率基本相同，出現(xiàn)最大振型的位置也相近，隨著頻率增加，其余五個(gè)振型均出現(xiàn)了不同程度的扭轉(zhuǎn)，且電機(jī)高階模態(tài)固有頻率較高，振型變化也較大。

圖3 邊界條件

從結(jié)果中看出，隨著頻率的增大，電機(jī)前、后端蓋振型的形狀不一樣，差異較大，前端面變形較小，后端面變形較大，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)較大，后蓋振型表現(xiàn)為不規(guī)則多邊形。由于隨機(jī)振動(dòng)振型差異較大，為避免電機(jī)在振動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效，需對(duì)前、后端蓋以及電機(jī)殼在振動(dòng)中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究分析。

2.2 前端蓋隨機(jī)振結(jié)果分析

圖5 電機(jī)前端蓋應(yīng)力分布

計(jì)算結(jié)果顯示，前端蓋應(yīng)力主要集中在均布的四個(gè)螺栓孔附近以及蓋板內(nèi)側(cè)的輻條上，且最大應(yīng)力為43.8MPa，發(fā)生在Y軸振動(dòng)方向，在前蓋和電機(jī)連接孔處。前端蓋材料為鋁合金ADC12，抗拉強(qiáng)度為228MPa，由此可計(jì)算得安全系數(shù)為n=5.2，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

2.3 后端蓋隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果

圖6 電機(jī)后端蓋應(yīng)力分布

仿真模擬計(jì)算結(jié)果顯示：電機(jī)后端蓋應(yīng)力主要集中在孔口處，振動(dòng)引起的孔口周圍的應(yīng)力要遠(yuǎn)大于無(wú)孔附近的應(yīng)力，后端蓋的最大應(yīng)力為44.158MPa，發(fā)生在Z軸振動(dòng)方向，后蓋材料也是鋁合金ADC12，抗拉強(qiáng)度為228MPa，計(jì)算可得安全系數(shù)n=5.16，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

2.4 電機(jī)機(jī)殼隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果

圖7 電機(jī)機(jī)殼應(yīng)力分布

仿真計(jì)算得電機(jī)機(jī)殼最大應(yīng)力為133.6MPa，最大應(yīng)力位于散熱翅片邊緣尖角處，應(yīng)力集中較為明顯，因該散熱片與前端蓋接觸面積較小（Y軸振動(dòng)方向亦是如此），發(fā)生在X軸振動(dòng)方向。根據(jù)機(jī)殼材料是鋁合金ADC12，抗拉強(qiáng)度為228MPa，計(jì)算安全系數(shù)n=1.7，安全系數(shù)偏低，因機(jī)殼應(yīng)力僅存在于單個(gè)散熱翅片邊緣角處，對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成影響有限，建議對(duì)該散熱片翅片邊緣外端進(jìn)行倒角處理來(lái)提高整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本文利用Ansysworkbench CAE 仿真軟件對(duì)某車型電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)模態(tài)分析，按照國(guó)標(biāo)GB/T 28046.3-2011在加速度均方根值為96.6m/s2的隨機(jī)振動(dòng)下，該電機(jī)前、后端蓋在結(jié)構(gòu)可靠性方面均滿足設(shè)計(jì)要求；電機(jī)機(jī)殼安全系數(shù)偏低，后期建議對(duì)散熱片外端進(jìn)行倒角處理來(lái)提高機(jī)殼的可靠性。應(yīng)用有限元法對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，可為今后同類型電機(jī)的振動(dòng)分析提供一種參考，也為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供一種有效預(yù)估方法。