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        永磁同步電機(jī)電樞與機(jī)殼過(guò)盈量的計(jì)算與應(yīng)用

        2020-06-29 12:34:31魏志遠(yuǎn)
        機(jī)電信息 2020年15期
        關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī)過(guò)盈量機(jī)殼

        摘 要:在永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)中,機(jī)殼過(guò)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(guò)盈量,利用ANSYS系統(tǒng)中的熱仿真模塊,對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的不同零部件溫度進(jìn)行仿真,保證熱膨脹不減小過(guò)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(guò)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(lái)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(zhǎng)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(guò)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(guò)盈量應(yīng)該在不同范圍;且電樞在使用過(guò)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(duì)這一特性,對(duì)電樞與機(jī)殼過(guò)盈量進(jìn)行計(jì)算和仿真。

        1? ? 永磁同步電機(jī)機(jī)殼過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(shì)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(duì)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(duì)齊,并且對(duì)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(duì)齊的公差范圍為0(+0.475,-0.795),最大不對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(cè)》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(cè)》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(cè)》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(guò)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(guò)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(guò)盈量仿真

        在電機(jī)運(yùn)行過(guò)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(guò)程中其會(huì)產(chǎn)生不同的膨脹,為避免在溫升過(guò)程中鋁合金機(jī)殼、定子鐵芯因?yàn)闊崤蛎浟坎煌l(fā)生過(guò)盈失效的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)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(guò)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??紤]到電機(jī)運(yùn)行過(guò)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(guò)程中的溫升主要來(lái)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(duì)繞組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),避免溫度過(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)盈量,為保證在運(yùn)行過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)間隙的需要。

        4? ? 結(jié)論

        (1)電機(jī)在傳遞扭矩時(shí)所需過(guò)盈量相對(duì)較小。

        (2)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中因發(fā)熱造成的機(jī)殼、定子鐵芯直徑變化相對(duì)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(jiǎn)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)。

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