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摘要:新能源汽车定子固定方案主要有螺栓固定与热套过盈方案,两种技术方案各有利弊。选用热套过盈方案时,需要校核过盈量选取是否合理。本文利用ANSYS WORKBENCH对某集成电驱总成的定子热套过盈量进行了非线性接触分析,仿真结果表明:预选的过盈量在最大扭矩、最低温度、最高温度等多种恶劣工况下,壳体强度满足设计要求。
关键词:定子;热套过盈;接触分析;壳体强度。
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随着新能源汽车市场的蓬勃发展,各大新能源汽车公司对于集成电驱的技术研究也不断深入,对于电机定子的固定主要有两种技术方案:定子铁芯与机壳热套过盈连接和螺栓固定方案。定子与电机壳体的配合需满足轴向定位、径向定位、防转三个基本功能,同时也要考虑电机在极端气候条件下的环境适应性。
1 两种方案的比较
1.1 螺栓固定方案的介绍
螺栓方案(如图1日电产方案)是指通过数颗长螺栓穿过定子铁芯外圆上的通孔,将定子铁芯在轴向锁紧至机壳上,原理是利用螺栓拧紧产生的摩擦力,来提供定子在各种条件下防转所需的扭矩。螺栓锁紧的固定方式,定子铁芯由无数“柔软”的硅钢片叠压而成,这种软连接无论是在拧紧后还是在产品使用过程中,扭矩的衰减都不可避免,螺栓轴向夹紧力下降,将会带来定子打滑风险。因此,螺栓的选型、防松方案以及拧紧工艺的设计和验证显得较为重要。
图1 日电产螺栓固定方案
1.2 过盈方案介绍
过盈方案的工艺特点是在定子安装前,会对电机壳体进行加热,使电机壳体受热后内径增大,而后放入定子;壳体冷却,定子铁芯外圆与机壳呈过盈配合,目前特斯拉采用了该方案,如图2。该方案相对于螺栓固定方案结构简单,且有助于减小电机壳体和定子硅钢片的径向尺寸,在可预见的原材料价格持续上涨的市场背景下,热套过盈方案将得到更为普遍的应用。过盈方案,通常采用增加铁芯与壳体之间的最小过盈量来提高可靠性。但考虑到两者之间的温差、材料不同膨胀系数等因素,在最大过盈量下还需平衡局部应力与材料的机械性能[1]。
图2 特斯拉热套过盈方案
2仿真模型的建立
为了准确评估过盈方案的技术可行性,本文利用ANSYS WORKBENCH对某电机壳体的过盈方案进行设计校核。
2.1 仿真任务的提取
定子外径预选设计尺寸为200.06~200.12,电机壳体的预选设计尺寸为199.84~199.9,则设计过盈量为0.16~0.28。跟进热胀冷缩的原理可知:过盈量为最大时,在低温环境条件下,壳体受到的应力将达到最大;过盈量最小时,在高温环境条件下,转子相对电机壳体转动的风险最高。综上,梳理出以下两个仿真任务:
表1 仿真任务统计表
仿真任务 | 过盈量 | 壳体温度 | 定子温度 |
极端低温 | 最大过盈量: 定子外径220.12 壳体内径:219.84 | -40℃ | -40℃ |
极端高温 | 最小过盈量: 定子外径220.6 壳体内径:219.9 | 110℃ | 130℃ |
2.2 仿真模型的建立
以最大过盈量且极端低温环境条件下,验证壳体强度为例:将过盈配合的电机壳体与定子模型导入ANSYS WORBENCH,电机壳体材料设为铝合金、定子铁芯设为钢,将定子铁芯与电机壳体接触设定为frictional,摩擦系数为0.3[2],在电机壳体两端面添加约束,定子铁芯内壁施加300Nm扭矩另外,添加温度条件-40℃,对接触区域的网格细化控制。
图3 有限元网格模型
2.2 仿真结果分析
运行仿真得到结果如下,电机壳体受到的最大应力为189Mpa、定子铁芯受到的最大应力为287Mpa、定子铁芯与电机壳体间无相对位移。
图4电机壳体应力云图
图5 定子铁芯应力云图
图6 接触状态示意图
最小过盈且极端高温工况也按照相同的步骤建立仿真模型,特别的对定子和电机壳体的温度条件按照实际经验分别添加110℃(电机壳体)、130℃(定子铁芯)。仿真结果汇总如下:
表2 仿真结果汇总表
仿真结果 | 最大过盈量在最低温工况 | 最小过盈量在最高温工况 | 屈服强度 |
壳体最大应力 | 189Mpa | 287Mpa | 240Mpa |
定子铁芯最大应力 | 115Mpa | 170Mpa | 440Mpa |
接触面相对位移 | 无滑动 | 无滑动 | / |
3结语
热套过盈方案由于结构简单、具备成本优势,因此必将得多更为广泛的应用。本文利用ANSYS WORKBENCH建立了某集成电驱定子过盈的仿真分析模型,对预选的设计过盈量进行了校核:结果表明无论极端寒冷工况或极端高温工况,定子铁芯固定牢靠,无相对转动,电机壳体与定子铁芯最大应力均小于各自材料的最大屈服应力。
参考文献
[1] 王正祥,过盈配合对永磁同步电机性能的影响分析[J].家电科技.2018,(1).70-71.
[2] 机械设计手册编委会. 机械设计手册(新版第五卷)[S]. 北京:机械工业出版社,2007.