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        永磁同步電機電樞與機殼過盈量的計算與應(yīng)用

        2020-06-29 12:34:31魏志遠
        機電信息 2020年15期
        關(guān)鍵詞:永磁同步電機過盈量機殼

        摘 要:在永磁同步電機的設(shè)計中,機殼過盈量取決于電機傳遞扭矩及裝配經(jīng)濟性。為保證電機在運行發(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,對電機運行過程中的不同零部件溫度進行仿真,保證熱膨脹不減小過盈量;并計算采用熱膨脹法進行裝配時是否能產(chǎn)生足夠的裝配間隙。

        關(guān)鍵詞:永磁同步電機;機殼;過盈量;ANSYS

        0? ? 引言

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

        1? ? 永磁同步電機機殼過盈量計算

        某永磁同步電機的結(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。

        永磁同步電機通過電樞推動帶有永磁體的電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動以輸出功率、扭矩,按照此原理分析,電樞與機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。

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

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

        (2)定子鐵芯、轉(zhuǎn)子軸向不對齊時產(chǎn)生的軸向力,在進行電機結(jié)構(gòu)設(shè)計時需充分考慮到定轉(zhuǎn)子不對齊,并且對這個尺寸鏈進行必要的計算。本次計算的電機定轉(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公式如下:

        Pmin=

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

        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《機械設(shè)計手冊》得到)。代入以上公式計算得:

        Pmin=≈0.44 MPa

        (2)計算直徑比:

        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算:

        Eamin=Pmindf

        Ca=+va

        Eimin=Pmindf

        Ci=+vi

        式中,E為材料的彈性模,查《機械設(shè)計手冊》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《機械設(shè)計手冊》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:

        Pfamax=aσsa=0.15×180=27 MPa

        Pfimin=Cσsi=0.11×252=27.72 MPa

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

        取兩個值中的最小值,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? ? 永磁同步電機機殼過盈量仿真

        在電機運行過程中電樞會產(chǎn)生熱量,由于電樞與機殼材質(zhì)不同,在相同的溫升過程中其會產(chǎn)生不同的膨脹,為避免在溫升過程中鋁合金機殼、定子鐵芯因為熱膨脹量不同發(fā)生過盈失效的風險,對運行中溫升條件下定子鐵芯、機殼的熱膨脹量進行計算。

        如圖3所示,在運行過程中,電機上溫度從高到低依次為電樞上線包、定子鐵芯、機殼??紤]到電機運行過程中存在峰值工況、額定工況(峰值工況有時間限制),計算溫度升高造成的不同程度的膨脹量;本次計算采用峰值工況、額定工況下的平均溫度。

        電機冷卻水道熱仿真分析如圖4所示。機殼內(nèi)部有冷卻水循環(huán)流動,在計算機殼的溫度時應(yīng)在最高溫度基礎(chǔ)上減去被冷卻水帶走的溫度;水道溫度可以認為是機殼最高溫度——77 ℃,水道最高溫升為3.5 K——相當于溫升3.5 ℃,所以機殼在電機運行時溫升為74.5 ℃(即77-3.5)。

        (1)機殼溫升膨脹量:

        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:

        電樞在運行過程中的溫升主要來自銅線繞組的發(fā)熱。電機設(shè)計時在電機繞組上增加溫度傳感器,對繞組溫度進行實時監(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、機殼實際溫度是不同的,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)上面的計算可以發(fā)現(xiàn),機殼因為材質(zhì)的原因在運行過程中膨脹量大于定子鐵芯膨脹量,經(jīng)計算,機殼及定子鐵芯在運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? ? 永磁同步電機機殼過盈量選擇、驗證及工藝

        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行機殼過盈參數(shù)的選擇,溫度升高后機殼與定子鐵芯膨脹程度的不同會消耗掉部分過盈量,為保證在運行過程中仍然可以傳遞足夠的扭矩進行以下計算:

        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行公差的選擇及驗證,電樞與機殼一般采用膨脹法進行裝配,為保證機殼在加熱過后不產(chǎn)生永久的塑性變形、保護電樞及提高裝配效率,一般加熱溫度控制在150~210 ℃。

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

        e=adt=21×10-6×300×120=0.756 mm

        計算溫升120 ℃時機殼的公差:

        ?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)電機在傳遞扭矩時所需過盈量相對較小。

        (2)電機在運行過程中因發(fā)熱造成的機殼、定子鐵芯直徑變化相對較大,故在設(shè)計時優(yōu)先考慮熱膨脹因素。

        (3)不同的季節(jié)溫度不同,電機裝配時可以考慮在不同季節(jié)使用不同的機殼加熱溫度。不同季節(jié)環(huán)境溫度范圍在-3~35 ℃,機殼加熱溫度選擇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(1982—),男,黑龍江齊齊哈爾人,工程師,研究方向:電機結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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