新能源汽車用電機模態有限元分析

張鎮 薛勇 周文 翁旭 喻皓

摘 要：本文通過有限元仿真分析獲取定子鐵芯橫觀各向同性材料參數。通過對電機定子、繞組和殼體等部件合理的假設簡化及等效，建立整機有限元模型并計算整機狀態下定子固有頻率。通過錘擊法模態試驗驗證有限元仿真的準確性。

關鍵詞：模態分析;驅動電機;定子材料等效;模態試驗

1 引言

作為新能源汽車“三電系統”的重要組成部分，驅動電機朝著小型化、輕量化、高速、高功率密度、高效率的方向發展，導致電機結構設計出現較薄化，易產生振動噪聲問題[1]。振動噪聲會引起電機結構疲勞損壞，降低整車舒適性，引起市場抱怨，進而降低產品競爭力。因此，解決電機振動噪聲問題成為近年來國內研究的熱點。

電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲[2]。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。

文獻[3]利用解析法計算電機定子固有頻率。文獻[4]提出繞組簡化模型，并通過試驗驗證模型準確性。文獻[5]分析在不同繞組固定工藝和殼體散熱筋結構下定子振動系統固有頻率，得出加固繞組和采用周向散熱筋結構能夠提高定子振動系統固有頻率的結論。文獻[6]采用各向異性材料對爪極發電機進行分析，得到與試驗基本一致的結果。文獻[7] 基于ANSYS軟件分析電機在復雜邊界條件下模態特性，并通過模態試驗對分析結果進行驗證。

本文基于Hypermesh有限元軟件建立新能源汽車用永磁同步電機模型進行模態分析，其參數指標如表1：

2 模態分析有限元模型建立

2.1 定子鐵芯等效

為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結構，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結構并不是一個材料連續的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。

文獻[8][9]通過將異步電機定子鐵芯離散成8個相同的單元體，單元體間通過耦合的方式建立有限元模型模擬電機鐵芯疊片結構。文獻[10]通過超聲波脈沖設備測得開關磁阻電機鐵芯彈性模量為1.52E5MPa。文獻[11]將定子鐵芯視為各向異性材料，通過仿真與試驗結合的方式獲取材料參數。

為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結構進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。等效后的材料視為橫觀各向同性材料即疊片平面內（x-y平面）視為各向同性材料，與疊片平面正交的軸向（z方向）剛度不同。等效后實體密度為鐵芯實際重量與模型體積的比值。定子材料參數有限元等效過程：在兩個相鄰硅鋼片疊片平面取單位面積的幾何作為分析對象，將疊壓過程縮短的長度平均分配到每個硅鋼片作為強制位移載荷，并把壓縮變形后狀態作為材料參數計算的初始狀態。分別在X、Y、Z單一方向上施加單位載荷，另外兩個方向施加對稱邊界條件，求解材料變形。由材料力學計算公式求解彈性模量，泊松比，式中F為x方向加載力，A為載荷作用面積，Lx為分析對象在x方向長度，Δx為x方向變形量，εx和εy為x方向和y方向的應變;根據橫觀各向同性材料彈性模量E、泊松比PR及剪切模量G之間的關系：Ex=Ey=Ep，PRzx=PRzy=PRnp，PRxz=PRyz=PRpn，Gxz=Gyz=Gn，=和Gp=進行材料參數求解。

2.2 繞組等效

早期研究認為由于繞組與定子間有槽絕緣紙的存在，繞組與定子非固定連接，僅考慮繞組質量對定子模態的影響。隨著研究的深入，發現繞組對模態不僅提供質量而且還有剛度的貢獻[12][13]。

由于實際繞組結構復雜，建模困難并且繞組材料參數受槽滿率、浸漆等生產工藝因素影響較大。為便于模型處理與計算，本文繞組簡化模型簡化如下：（1）采用直導體代替槽內多匝電磁線，僅建立槽內有效長度模型;（2）端部繞組質量平均分配在槽內繞組上，忽略端部繞組剛度的影響;（3）等效后繞組與定子緊密接觸，按照網格共節點處理;（4）等效后繞組密度為預估銅線重量與等效繞組體積的比值;（5）等效后繞組視為各向同性材料，等效后繞組彈性模量根據純銅及鋼彈性模量按照槽滿率和槽與定子齒面積之比近視折算。基于以上假設，建立的定子及繞組有限元模型如圖一。

2.3 殼體建模

由于殼體及端蓋上加強筋結構對整機模態貢獻較大，模態分析時不能忽略，需建立完整的模型。同時為了簡化計算，忽略殼體及端蓋上對整機模態影響較小的倒角、圓角等細小特征。本文在分析整機模態時考慮定子與機殼過盈量。建立整機有限元模型見圖2，表2為模態分析有限元仿真參數。

3 仿真結果分析

整機自由模態振型主要包含端蓋模態、機殼模態、電機轉子模態及定子模態。其中定子低階徑向振動模態易被電磁力激勵激起引起電磁振動噪聲。整機狀態下分析計算定子二階同相位模態頻率588HZ 、三階同相位模態頻率1523HZ、四階同相位模態頻率2760HZ，圖3為各階模態振型。

4 試驗模態

采用LMS SCADS 信號采集與分析系統對樣機進行模態試驗。將樣機置于彈性塑料墊上，在樣機中部周向布置36個激振點，采用錘擊法進行測試。為確保測試信號的可靠性，減小測試過程中的敲擊誤差及信號干擾，對同一測試點多次敲擊并對產生的信號取平均。圖4為試驗模態振型圖。表3為仿真與實測結果比較。

通過表三可以看出仿真與試驗結果偏差在5%以內，說明仿真與實測結果基本吻合，具有較高的置信度。

5 結論

本文以新能源汽車用驅動電機為研究對象，通過對定子鐵芯材料等效計算及電機結構簡化，進行整機自由模態有限元分析。經對比仿真與整機模態試驗結果得出以下結論：

1.將鐵芯疊片結構視為橫觀各向同性材料并通過有限元方法計算材料參數，為準確分析電機模態特性及NVH性能預測奠定基礎。

2.整機定子系統仿真與模態試驗結果偏差在5%以內，驗證了本文提出模型簡化等效方法的合理性及仿真的準確性。

基金支持：廣東省重點研發計劃資助（編號：2019B090909001）

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