提高電機低溫帶載性能設(shè)計研究

李志鵬,錢 華,陳 辰,張席銘

(中國電子科技集團公司第二十一研究所, 上海 200233)

0 引 言

電機熱學分析和設(shè)計一直是電機設(shè)計過程中的重點問題之一[1-2],目前國內(nèi)外通常采用有限元法進行分析計算[3-4]。應用于特殊裝備的某型號電動機要求小體積、輕量化,其結(jié)構(gòu)較為特殊。由于用在特殊場景,所用材料在滿足功能、性能和強度的前提條件下,選用了不同的輕質(zhì)材料。受結(jié)構(gòu)特點和選用材料的綜合影響,該電機在低溫-55 ℃通電帶載運行時,部分電機出現(xiàn)輸出力矩下降明顯的現(xiàn)象。隨著環(huán)境溫度的升高,電機通電帶載能力逐漸增大,恢復至與常溫帶載能力接近。

為保證電機質(zhì)量的一致性,提高低溫-55 ℃通電帶載能力,對電機結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)進行分析。運用有限元仿真分析,建立電機有限元模型,分析計算影響電機低溫阻力矩增大的結(jié)構(gòu)件在不同溫度變化條件下的形變,優(yōu)化結(jié)構(gòu)件配合間隙設(shè)計參數(shù),并經(jīng)不同溫度的帶載能力驗證,解決了該電機低溫帶載能力下降離散性大,部分電機存在無法運行的技術(shù)難題。

1 低溫帶載能力下降的影響因素分析

1.1 電機結(jié)構(gòu)

電機結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電機主要由機殼、定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機殼、端蓋、輸出軸等組成。

圖1 電機結(jié)構(gòu)圖

1.2 電機帶載能力隨溫度下降而下降的影響因素分析

電機進行常溫及高溫(85 ℃)測試,功能及性能均正常,在低溫-55 ℃工況測試時,部分電機加電帶載無法起動,能夠起動運轉(zhuǎn)的電機,帶載能力有不同程度的下降。根據(jù)該現(xiàn)象,將環(huán)境溫度升溫至-45 ℃進行測試,電機均能夠帶載起動,但部分電機帶載能力仍有下降;繼續(xù)升溫至溫度-35 ℃進行測試,電機起動正常,功能與性能測試正常。電機帶載能力隨溫度下降有不同程度的下降,實驗情況如表1所示。

表1 低溫起動實驗情況

1.3 低溫帶載能力下降原因分析

針對電機帶載能力隨溫度下降而下降的問題,根據(jù)電機結(jié)構(gòu)特點,認為影響電機低溫帶載能力下降的因素有以下幾個方面:

(1)低溫下定轉(zhuǎn)子機械卡滯;

(2)電機低溫下電磁性能下降;

(3)低溫下軸承阻力矩增大。

1.3.1 轉(zhuǎn)子機械卡滯

根據(jù)熱力學規(guī)律,溫度下降時,分子熱運動減弱,振動幅度減小,物體體積收縮。電機定轉(zhuǎn)子氣隙較小,定、轉(zhuǎn)子的材料在低溫下的形變差大于氣隙,可能導致低溫下轉(zhuǎn)子機械卡滯,電機低溫帶載能力下降,無法起動。電機定、轉(zhuǎn)子所用材料的溫變系數(shù)接近,定、轉(zhuǎn)子低溫形變量接近;電機定、轉(zhuǎn)子氣隙遠大于所用材料的低溫形變量。因此,電機定、轉(zhuǎn)子低溫形變不會出現(xiàn)氣隙減小、轉(zhuǎn)子機械卡滯,該影響因素排除。

1.3.2 電機電磁性能下降

電機定子磁鋼采用釤鈷永磁體,其溫度系數(shù)較低,為0.04%/℃。輸出轉(zhuǎn)矩的大小與磁鋼性能正相關(guān)。低溫下,磁鋼性能略有上升,由此可知,電磁性能隨溫度變化,在低溫下電機轉(zhuǎn)矩性能上升。因此,電機電磁性能下降的影響因素排除。

1.3.3 軸承阻力矩增大

低溫下軸承阻力矩增大是導致電機低溫帶載能力下降的主要原因。影響軸承阻力矩的兩大因素:一是軸承潤滑脂低溫阻力矩增大;二是構(gòu)成軸承室的機殼、轉(zhuǎn)軸、軸承材料因溫度降低產(chǎn)生形變,軸承游隙減小。

1) 軸承潤滑脂導致阻力矩增大

低溫下,軸承潤滑脂粘稠性增大,潤滑脂阻力矩增大,導致軸承阻力矩增大,電機有效輸出力矩下降,低溫下電機帶載能力下降。電機所用潤滑脂采用高低溫潤滑脂,使用溫度范圍為-65 ℃～205 ℃。低溫下潤滑脂阻力會略有增大,但增加量值遠小于電機0.24 N·m,電機在限流條件下的輸出力矩會略有減小,不會導致電機無法起動。

2) 軸承室低溫形變,導致軸承游隙減小,軸承阻力矩增大

該電機結(jié)構(gòu)形式為單邊軸承,構(gòu)成軸承室結(jié)構(gòu)件包括機殼和轉(zhuǎn)子軸套。由于減重和特殊使用環(huán)境,機殼、轉(zhuǎn)子軸套和軸承所用材料均不相同,詳見表2。

表2 軸承室結(jié)構(gòu)件組成、材料和熱膨脹系數(shù)

由此可知,低溫下機殼的形變量大于軸承的形變量,這會導致機殼與軸承配合間隙減小。由于電機需承受較大的環(huán)境力學條件,軸承徑向游隙選擇較小量級。

當機殼形變量大于機殼與軸承配合間隙時,會使軸承徑向游隙減小,軸承阻力矩明顯增大,電機阻力矩增大,電機低溫帶載輸出力矩下降;當?shù)蜏匦巫兞啃∮跈C殼與軸承配合間隙時,軸承阻力矩無影響,電機帶載能力應不會下降。

2 軸承室低溫形變仿真分析

通過對電機低溫帶載能力下降影響因素分析,認為影響電機低溫帶載能力下降的主要因素應為組成電機軸承室結(jié)構(gòu)件的機殼、轉(zhuǎn)軸、軸承材料形變導致軸承阻力矩增大。為此,根據(jù)軸承、機殼、轉(zhuǎn)子軸套的結(jié)構(gòu)、材料特性,優(yōu)化結(jié)構(gòu)件配對,進行軸承徑向游隙低溫形變仿真分析驗證,試圖通過制定合理的機殼與軸承配合間隙,改善電機低溫帶載能力下降的問題[5-7]。本文運用有限元仿真分析,建立電機有限元模型,分析計算影響電機低溫阻力矩增大的結(jié)構(gòu)件在不同尺寸配合和不同溫度變化條件下的形變,并通過實測驗證仿真分析結(jié)果。

根據(jù)電機結(jié)構(gòu)尺寸,適當簡化模型,軸承外圈仿真模型如圖2所示,采用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件對電機軸承外圈及內(nèi)圈的形變量進行分析,得出軸承游隙在不同溫變、不同配合間隙情況下的變化量。

圖2 簡化處理的軸承外圈仿真模型

2.1 軸承徑向形變

仿真計算軸承徑向形變量δ也就是軸承徑向內(nèi)外圈的形變量,用軸承外圈的內(nèi)壁形變量減去軸承內(nèi)圈外壁的形變量即為低溫下軸承徑向形變量。由于軸承滾珠尺寸較小,且與軸承材料熱膨脹系數(shù)相同,在仿真分析過程中不考慮軸承滾珠形變。分別仿真電機在-55 ℃和-45 ℃條件下,機殼與軸承配合間隙分別為0、0.006 mm和0.01 mm,軸承徑向游隙為0.022 mm,三種配合狀態(tài)下的軸承徑向形變量。仿真結(jié)果如圖3～圖5所示,圖中數(shù)值為負,表示物體收縮。

圖3 軸承外圈內(nèi)壁徑向形變量云圖(軸承與機殼間間隙為0)

圖4 軸承外圈內(nèi)壁徑向形變量云圖(軸承與機殼間間隙為0.006 mm)

圖5 軸承外圈內(nèi)壁徑向形變量云圖(軸承與機殼間間隙為0.01 mm)

2.2 軸承內(nèi)圈外壁徑向形變量

軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子軸套配合,兩者材料熱膨脹系數(shù)相等,可直接根據(jù)熱膨脹系數(shù)計算軸承內(nèi)圈外壁徑向形變量。

ΔL=αL0ΔT

(1)

式中:ΔL為形變量;α為熱膨脹系數(shù);L0為原始長度;ΔT為溫度變化量。

根據(jù)熱膨脹公式計算,-55 ℃時軸承內(nèi)圈外壁形變量為0.023 2 mm,-45 ℃時軸承內(nèi)圈外壁形變量為0.020 1 mm。

2.3 仿真結(jié)果統(tǒng)計分析

對機殼與軸承不同配合間隙在不同溫度下的軸承徑向形變量的仿真結(jié)果如表3所示。

表3 軸承與機殼不同配合尺寸下的徑向形變量

仿真結(jié)果表明,機殼與軸承配合間隙為0時,電機在低溫-55 ℃軸承總形變量為0.022 4 mm,大于軸承徑向間隙,軸承卡滯,阻力距明顯增大;在低溫-45 ℃時軸承總形變量為0.019 6 mm,小于軸承徑向間隙,軸承阻力矩應影響較小。

當機殼與軸承配合間隙增大至0.006 mm時,低溫-55 ℃和-45 ℃軸承總形變量為分別是0.018 4 mm和0.154 mm,均小于軸承徑向間隙,軸承阻力矩應均影響較小;隨著機殼與軸承配合間隙的增大至配合間隙0.01 mm時,低溫-55 ℃和-45 ℃軸承總形變量減小至0.015 2 mm和0.012 3 mm,軸承阻力矩應均無影響。

3 實驗驗證及優(yōu)化方案

根據(jù)仿真結(jié)果,分別將機殼與軸承的配合按0、0.006 mm、0.010 mm間隙進行電機實驗驗證,實驗樣件狀態(tài)如表4所示。

表4 軸承與機殼實測尺寸

3臺樣件分別進行低溫-55 ℃的帶載起動和性能測試,具體測試結(jié)果分別如表5、表6所示。

表5 負載0.24 N·m、低溫-55 ℃、保溫2 h實驗驗證情況

表6 負載0.24 N·m、常溫實驗情況

實驗結(jié)果表明,機殼與軸承配合間隙增大0.006 mm至0.01 mm后,電機低溫-55 ℃帶載0.24 N·m可以完成起動;配合間隙為0.01 mm電機的起動電流和負載電流均略小于配合間隙為0.006 mm電機;配合間隙為0.01 mm電機的輸出性能與常態(tài)性能基本接近,負載電流的差異應為軸承潤滑脂在低溫下阻力矩略有增大的影響,軸承形變量對軸承阻力矩已無影響。

由仿真及實測結(jié)果可以看出,軸承與機殼之間配合間隙增大后,低溫條件下電機輸出轉(zhuǎn)矩有明顯提升,實驗結(jié)果驗證了仿真結(jié)果的有效性。通過控制機殼與軸承間配合間隙在合適范圍內(nèi),可以使電機低溫帶載能力明顯提升。

4 結(jié) 語

通過對電機結(jié)構(gòu)、材料特性分析,建立電機三維仿真分析模型,運用有限元仿真,分析計算影響電機低溫阻力矩增大的結(jié)構(gòu)件在不同溫度變化條件下的形變,實驗驗證了仿真結(jié)果的有效性。對于采用不同材料和特殊結(jié)構(gòu)的電機,后續(xù)可運用該方法,分析計算優(yōu)化結(jié)構(gòu)件配合間隙設(shè)計參數(shù),解決低溫帶載能力下降和離散性大的問題。