新能源汽车电机定子热套过盈量仿真分析

新能源汽车电机定子热套过盈量仿真分析

伊聚群

360730198804012619， 广东  广州  511434

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。

[键入文字]

[键入文字]

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

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

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.