摘 要：在永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)中，機(jī)殼過盈量取決于電機(jī)傳遞扭矩及裝配經(jīng)濟(jì)性。為保證電機(jī)在運(yùn)行發(fā)熱后仍然有可傳遞扭矩的過盈量，利用ANSYS系統(tǒng)中的熱仿真模塊，對電機(jī)運(yùn)行過程中的不同零部件溫度進(jìn)行仿真，保證熱膨脹不減小過盈量;并計(jì)算采用熱膨脹法進(jìn)行裝配時(shí)是否能產(chǎn)生足夠的裝配間隙。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);機(jī)殼;過盈量;ANSYS

0? ? 引言

永磁同步電機(jī)具有體積小、功率密度大、效率高、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因而在新能源電動(dòng)汽車中的應(yīng)用越來越廣。同時(shí)，永磁同步電機(jī)電樞的發(fā)熱量也比較大，為延長電機(jī)使用壽命、性能等，通常采用水冷的方式進(jìn)行降溫。永磁同步電機(jī)電樞與機(jī)殼多采用過盈配合，根據(jù)電機(jī)的不同功率、扭矩要求，電樞與機(jī)殼的過盈量應(yīng)該在不同范圍;且電樞在使用過程中必然會(huì)發(fā)熱，由于電樞與機(jī)殼的材質(zhì)不同，在相同溫度上升條件下會(huì)產(chǎn)生不同的膨脹數(shù)值，本文就是針對這一特性，對電樞與機(jī)殼過盈量進(jìn)行計(jì)算和仿真。

1? ? 永磁同步電機(jī)機(jī)殼過盈量計(jì)算

某永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其已知參數(shù)如下：額定功率為100 kW，額定扭矩為600 Nm，最大轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，最大傳遞扭矩為1 200 Nm，電樞直徑為300 mm，電樞長度為190 mm;定子鐵芯材質(zhì)為硅鋼，機(jī)殼材質(zhì)為ZL101A，電樞繞組材質(zhì)為帶絕緣層銅線。

永磁同步電機(jī)通過電樞推動(dòng)帶有永磁體的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)以輸出功率、扭矩，按照此原理分析，電樞與機(jī)殼過盈能力要克服轉(zhuǎn)子的周向轉(zhuǎn)矩及永磁體產(chǎn)生的軸向磁拉力。

電機(jī)軸向磁拉力——根據(jù)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)通常產(chǎn)生軸向力為以下兩種情況：

（1）為消除電機(jī)感應(yīng)電勢的齒諧波，通常采用斜槽措施，而斜槽會(huì)引起軸向力。因本款電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)未采用斜槽結(jié)構(gòu)，本次計(jì)算不考慮斜槽方式產(chǎn)生的軸向力。

（2）定子鐵芯、轉(zhuǎn)子軸向不對齊時(shí)產(chǎn)生的軸向力，在進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮到定轉(zhuǎn)子不對齊，并且對這個(gè)尺寸鏈進(jìn)行必要的計(jì)算。本次計(jì)算的電機(jī)定轉(zhuǎn)子不對齊的公差范圍為0（+0.475，-0.795），最大不對齊量為0.795 mm。根據(jù)圖2計(jì)算曲線可知，軸向力最大值為80 N。

考慮軸向力及傳遞載荷的最小壓強(qiáng)公式如下：

Pmin=

（1）相對于傳遞的扭矩，軸向力較小，故在本次計(jì)算中不考慮軸向力，使用以下公式計(jì)算最小壓強(qiáng)：

Pmin=

式中，T為傳遞扭矩（N·mm）;d為結(jié)合直徑（mm）;l為結(jié)合長度（mm）;μ為被連接件摩擦副的摩擦因數(shù)，此處取0.1。

按照已知條件T=1 200 Nm，d=300 mm，l=190 mm，μ=0.1（查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得到）。代入以上公式計(jì)算得：

Pmin=≈0.44 MPa

（2）計(jì)算直徑比：

qa=

式中，qa為包容件直徑比;df為包容件內(nèi)徑;da為包容件外徑。

qa=≈0.84

qi=

式中，qi為被包容件直徑比;df為包容件內(nèi)徑;di為被包容件外徑。

qi==0.875

（3）傳遞扭矩所需的最小直徑變化量的計(jì)算：

Eamin=Pmindf

Ca=+va

Eimin=Pmindf

Ci=+vi

式中，E為材料的彈性模，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得，Ea=69 000? MPa， Ei=210 000 MPa;v為材料的泊松比，va=0.32，vi=0.3;C為傳遞載荷所需最小直徑變化系數(shù)，可查表獲得該值，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得，Ca=6.11，Ci=7.83。

Eamin=Pmindf=0.44×300×≈0.011 7 mm

Eimin=Pmindf=0.44×300×≈0.004 9 mm

（4）傳遞扭矩所需的最小過盈量：

δemin=Eamin+Eimin=0.011 7+0.004 9≈0.017 mm

（5）不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大結(jié)合壓強(qiáng)：

Pfamax=aσsa=0.15×180=27 MPa

Pfimin=Cσsi=0.11×252=27.72 MPa

式中，σs為材料的屈服強(qiáng)度（MPa），σsa（包容件）=180 MPa，σsi（被包容件）=252 MPa。

取兩個(gè)值中的最小值，則Pfamax=27 MPa。

（6）不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大過盈量計(jì)算：

Eamax=Pfmaxdf=27×300×≈0.717 mm

Eimin=Pfmaxdf=27×300×≈0.302 mm

δemax=Eamax+Eimax=0.717+0.302=1.019 mm

選擇配合的要求：0.017 mm<δ≤1.019 mm。

2? ? 永磁同步電機(jī)機(jī)殼過盈量仿真

在電機(jī)運(yùn)行過程中電樞會(huì)產(chǎn)生熱量，由于電樞與機(jī)殼材質(zhì)不同，在相同的溫升過程中其會(huì)產(chǎn)生不同的膨脹，為避免在溫升過程中鋁合金機(jī)殼、定子鐵芯因?yàn)闊崤蛎浟坎煌l(fā)生過盈失效的風(fēng)險(xiǎn)，對運(yùn)行中溫升條件下定子鐵芯、機(jī)殼的熱膨脹量進(jìn)行計(jì)算。

如圖3所示，在運(yùn)行過程中，電機(jī)上溫度從高到低依次為電樞上線包、定子鐵芯、機(jī)殼。考慮到電機(jī)運(yùn)行過程中存在峰值工況、額定工況（峰值工況有時(shí)間限制），計(jì)算溫度升高造成的不同程度的膨脹量;本次計(jì)算采用峰值工況、額定工況下的平均溫度。

電機(jī)冷卻水道熱仿真分析如圖4所示。機(jī)殼內(nèi)部有冷卻水循環(huán)流動(dòng)，在計(jì)算機(jī)殼的溫度時(shí)應(yīng)在最高溫度基礎(chǔ)上減去被冷卻水帶走的溫度;水道溫度可以認(rèn)為是機(jī)殼最高溫度——77 ℃，水道最高溫升為3.5 K——相當(dāng)于溫升3.5 ℃，所以機(jī)殼在電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫升為74.5 ℃（即77-3.5）。

（1）機(jī)殼溫升膨脹量：

e=adt=21×10-6×300×74.5=0.469 35 mm

式中，a為材料的熱膨脹系數(shù)（℃-1）;d為膨脹方向的直徑（mm）;t為溫度（℃）。

（2）電樞溫升膨脹量：

電樞在運(yùn)行過程中的溫升主要來自銅線繞組的發(fā)熱。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)在電機(jī)繞組上增加溫度傳感器，對繞組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，避免溫度過高造成磁鋼退磁、繞組燒損的故障。定子鐵芯、電樞繞組、機(jī)殼實(shí)際溫度是不同的，主要因素在于電樞繞組和定子鐵芯之間存在絕緣紙、絕緣層，機(jī)殼及定子鐵芯之間的接觸精度等，所以一般要求對各位置進(jìn)行ANSYS仿真。根據(jù)圖3、圖5可以知道，銅線繞組和定子鐵芯的溫度確實(shí)不相同，根據(jù)圖3所示，電樞上定子鐵芯的溫升約80 ℃。

e=adt=11×10-6×300×80=0.264 mm

根據(jù)上面的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)殼因?yàn)椴馁|(zhì)的原因在運(yùn)行過程中膨脹量大于定子鐵芯膨脹量，經(jīng)計(jì)算，機(jī)殼及定子鐵芯在運(yùn)行過程中熱膨脹引起的間隙為：

e=0.469 35-0.264≈0.205 mm

所以機(jī)殼及定子鐵芯的過盈量范圍應(yīng)該在0.205 mm<δ≤1.019 mm。

3? ? 永磁同步電機(jī)機(jī)殼過盈量選擇、驗(yàn)證及工藝

定子鐵芯的公差已經(jīng)確定?300（+0.05，-0.057），根據(jù)已選定的定子鐵芯進(jìn)行機(jī)殼過盈參數(shù)的選擇，溫度升高后機(jī)殼與定子鐵芯膨脹程度的不同會(huì)消耗掉部分過盈量，為保證在運(yùn)行過程中仍然可以傳遞足夠的扭矩進(jìn)行以下計(jì)算：

0.205 mm+δemin（=0.017）<δ≤1.019 mm

0.222 mm<δ≤1.019 mm

初步選擇公差：?300T6（-0.231，-0.263）或?300U6（-0.33，-0.382）。根據(jù)裝配過的工藝方法進(jìn)行公差的選擇及驗(yàn)證，電樞與機(jī)殼一般采用膨脹法進(jìn)行裝配，為保證機(jī)殼在加熱過后不產(chǎn)生永久的塑性變形、保護(hù)電樞及提高裝配效率，一般加熱溫度控制在150～210 ℃。

采用膨脹法進(jìn)行裝配時(shí)，要保證熱膨脹后的機(jī)殼有足夠的間隙，能使電樞順利地裝配到機(jī)殼內(nèi)部。季節(jié)不同，環(huán)境溫度也不同，為方便計(jì)算，暫定溫升為120 ℃，對機(jī)殼的膨脹量進(jìn)行計(jì)算：

e=adt=21×10-6×300×120=0.756 mm

計(jì)算溫升120 ℃時(shí)機(jī)殼的公差：

?300T6（-0.231，-0.263）變?yōu)?300（+0.525，+0.493）;

?300U6（-0.33，-0.382）變?yōu)?300（+0.426，+0.374）。

計(jì)算溫升后的間隙[定子鐵芯?300（+0.05，-0.057）]：

?300（+0.525，+0.493）的間隙為（+0.582，+0.443）;

?300（+0.426，+0.374）的間隙為（+0.483，+0.324）。

根據(jù)表1熱裝最小間隙可知，以上公差均能滿足裝配工藝對間隙的需要。

4? ? 結(jié)論

（1）電機(jī)在傳遞扭矩時(shí)所需過盈量相對較小。

（2）電機(jī)在運(yùn)行過程中因發(fā)熱造成的機(jī)殼、定子鐵芯直徑變化相對較大，故在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮熱膨脹因素。

（3）不同的季節(jié)溫度不同，電機(jī)裝配時(shí)可以考慮在不同季節(jié)使用不同的機(jī)殼加熱溫度。不同季節(jié)環(huán)境溫度范圍在-3～35 ℃，機(jī)殼加熱溫度選擇150～170 ℃的范圍區(qū)間比較合適——冬季選擇130 ℃、夏季選擇170 ℃，這樣的溫度設(shè)置既可以保證足夠的安裝間隙，又可以有效節(jié)約能源，降低制造成本。

收稿日期：2020-03-27

作者簡介：魏志遠(yuǎn)（1982—），男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，研究方向：電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。