電驅動總成轉子的仿真分析與優化

□ 杜躍斐 □ 方瑋祎

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

近年來,隨著新能源汽車技術的不斷成熟和國家政策的支持,新能源汽車逐漸得到了普及和使用。電驅動總成是為新能源汽車提供動力的核心部件,隨著整車性能的不斷提高,電驅動總成朝著高效率、高轉矩、高功率密度、高集成度方向發展。隨著人們對駕駛體驗要求的逐漸提升,可靠性、安全性成為整車企業重點關注的問題。在車輛實際運行中,電機轉子最高轉速接近20 000 r/min,高速旋轉的轉子提供了足夠的動力來驅動減速器,同時必須保證電機在高速下平穩運轉,這對轉子結構在機械、強度、剛度等力學特性方面提出了極高的要求。通過轉子的受力分析可知,高速旋轉時轉子受到強大的離心力作用,離心力的大小隨著旋轉角速度的變化而變化,使轉子產生變形。因此,在研發階段就需要對轉子結構的機械強度進行計算與校核,確保安全性。

近年來,很多科研人員和工程技術人員在電驅動總成轉子的力學性能方面進行研究和探索。朱鄭喬若等[1]以某款新能源車電機為例,利用Unigraphics NX軟件對電機軸和轉子建模,并導入ANSYS軟件,在特定條件下對轉子進行有限元仿真分析,為轉子結構的合理設計提供依據。馬琳等[2]借助仿真軟件,模擬高速驅動電機的力學性能,并通過對比不同結構對轉子離心力的影響,分析轉子離心力的影響因素。屈新田等[3]對某電動車的驅動電機轉子進行結構強度分析,針對強度分析結果進行結構拓撲優化,優化后減重18.8%。仿真和試驗結果表明,優化后轉子各項性能指標滿足設計要求。劉蘭艷等[4]應用SolidWorks軟件建立超聲電機柔性轉子三維模型,并應用ANSYS軟件進行模態分析,研究結果為轉子及電機本體結構設計提供了理論依據。此外,文獻[5-10]在高速永磁同步電機轉子強度方面進行了仿真分析。

筆者基于自主開發的電驅動總成轉子進行仿真分析與優化,利用數值仿真軟件進行三維仿真和二維仿真,驗證二維仿真模型的有效性和高效性,并在二維模型的基礎上進行結構改進,為產品性能提升提供指導和建議。

2 計算模型

2.1 幾何模型

電驅動總成轉子三維模型如圖1所示。在電機高速運轉時,轉子結構主要承受離心力、電磁力、永磁體吸引力的作用。研究結果表明,離心力是影響轉子結構強度的主要因素。因此,在進行轉子結構強度分析時,主要考慮轉子在離心力作用下的結構強度。

▲圖1 電驅動總成轉子三維模型

2.2 載荷工況分析

施加載荷情況如下:轉子轉速為19 000 r/min,產生的離心力載荷轉換為角速度后施加在模型上,角速度為1 989.7 rad/s。轉子上相嵌著磁鋼。轉子材料為硅鋼,等效密度為7 800 kg/m3,彈性模量為169 GPa,泊松比為0.26。磁鋼材料為釹鐵硼,密度為7 500kg/m3,彈性模量為175.8 GPa,泊松比為0.3。

2.3 有限元理論

由于模型比較復雜,難以直接通過理論計算得到結果,因此一般采用數值方法進行計算研究。經過數值離散后的彈性體動力學有限元方程為:

(1)

在線性靜力學問題中,結構的變形及外載荷與時間無關,因此式(1)可簡化為:

[K]{x}={F}

(2)

線性靜力學分析時,在小變形及材料線性假設下,[K]為常量矩陣,{F}為結構所受外載荷,該載荷不隨時間變化。由此,在筆者研究中,轉子所受離心力可認為是靜載荷。

3 三維模型仿真

在Abaqus軟件中對幾何模型進行網格劃分,為提高計算速度,采用1/8周期對稱結構模型進行計算。單元類型采用二階四面體單元自由劃分,并在圓角區域局部加密網格。網格數量為60萬,兩側面基于圓心中心軸設置1/8周期對稱邊界,網格模型與邊界如圖2所示。內弧面與圓心點在柱坐標下耦合切向及轉動自由度,并約束圓心點全部自由度。轉子與磁鋼的交界面設置綁定約束,如圖3所示。

▲圖2 網格模型與邊界▲圖3 轉子與磁鋼綁定約束

三維模型等效應力計算結果如圖4所示。在轉子轉速為19 000 r/min的極限工況下,轉子最大應力達到778 MPa,磁鋼槽外側圓角應力達到572 MPa,遠超設計指標450 MPa。由于采用線彈性模型,未考慮材料塑性階段的情況,因此在超出曲線極限后的應力值與實際情況有較大偏差。三維模型徑向位移計算結果如圖5所示。最大徑向位移出現在最外側的邊界上,其值為0.047 mm。從位移分布可以判斷,結構位移以圓心為中心,沿半徑向外逐漸增大,結果較為合理。

4 二維模型仿真

由三維仿真可知,為了獲得比較精確的計算結果,需要較大的網格數量和計算量。筆者從結構自身的幾何特性、載荷、約束條件出發,采用二維模型進行仿真計算。由于轉子及磁鋼的結構在厚度方向上無變化,同時載荷及約束平行于面并沿厚度方向均勻分布,因此將三維模型簡化為二維模型。基于周期對稱性質,只取1/8模型進行分析。1/8轉子二維模型如圖6所示。采用自由網絡劃分策略,同樣在圓角區域局部加密網格。網格數量共約為6萬,計算規模相比三維模型小一個數量級,材料參數、邊界約束等與三維模型設置一致。

二維模型等效應力計算結果如圖7所示。應力呈對稱分布,在中間孔的兩側出現最大應力,約為758 MPa;在磁鋼槽的外側圓角處也有大應力產生,約為609 MPa。與三維模型計算結果相比,最大應力偏差為2.57%,磁鋼槽外側圓角應力偏差為6.47%。二維模型徑向位移計算結果如圖8所示。在轉子的最外側中部產生最大位移,約為0.047 mm,與三維模型計算結果一致。

▲圖8 二維模型徑向位移計算結果

通過對比可知,二維模型的位移值與三維模型的位移值相同,兩者應力值的偏差也很小。由于二維模型的計算規模只有三維模型的1/10,因此在工程上可以采用二維模型代替三維模型進行計算,在保證工程精度的前提下,大大提高計算效率。

5 結構優化

通過對比三維仿真與二維仿真計算結果,可以確認采用二維模型也能夠滿足精度要求。在優化過程中,涉及模型多次變參數計算,為加快計算速度,采用二維模型進行優化。

通過分析可知,最大應力的區域有兩處,因此選取兩個變量進行優化,目的為減小應力值,直至滿足設計指標。選取最大應力處的圓角,如圖9所示。將圓角半徑從0.3 mm逐漸增大至0.9 mm,得到該處最大應力的變化趨勢,見表1。當圓角半徑為0.9 mm時,最大應力值減小至425 MPa,較609 MPa減小了30%。由此可見,需要在保證強度的條件下使圓角半徑大于0.7 mm。

▲圖9 最大應力處圓角

表1 圓角最大應力變化趨勢

優化轉子中間孔處結構,將中間孔處的圓孔改為矩形孔。為了保持中間孔的面積以滿足磁通量,調節相應的長寬比,并且增大圓角。優化前后中間孔結構如圖10所示。優化后應力計算結果如圖11所示,最大應力值為449 MPa,與優化前的758 MPa相比,減小了約41%。應力集中位置仍在兩個圓角附近。

▲圖10 優化前后中間孔結構▲圖11 優化后應力計算結果

6 結束語

筆者采用仿真分析技術分析了電驅動總成轉子在極限轉速工況下的強度,并進行了結構優化。

對三維模型與二維模型的計算結果進行對比,可知兩種模型的計算結果非常接近,其中最大位移相同,最大應力偏差小于3%,局部最大應力偏差小于7%,驗證了二維模型的準確性和合理性。

由于初始模型在極限轉速下的應力超過了設計指標,因此筆者基于二維模型進行結構改進與優化,通過改變幾何形狀與尺寸,使應力減小至滿足設計指標的要求,在提高計算效率的同時提高產品性能。

后續還需要進行更深入的研究,包括以優化結構強度為目標是否會影響電磁效應等,即后續優化需要綜合考慮結構及電磁因素。目前筆者只進行了仿真計算,尚未開展相關實測,后續通過實測可進一步對結構進行優化。