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新能源汽車用電機模態(tài)有限元分析

2020-07-02 10:28:23·  來源：《時代汽車》、EDC電驅(qū)未來  
　
作者：張鎮(zhèn) 薛勇丨廣州汽車集團電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結(jié)構(gòu)固有頻率接近時會引起共振，進而產(chǎn)生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做
作者：張鎮(zhèn) 薛勇丨廣州汽車集團 
 
電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結(jié)構(gòu)固有頻率接近時會引起共振，進而產(chǎn)生電磁噪聲 。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結(jié)構(gòu)固有頻率錯開。因此，為準確預(yù)測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態(tài)特性。
 
本文基于Hypermesh有限元軟件建立新能源汽車用永磁同步電機模型進行模態(tài)分析，其參數(shù)指標如表1：
表1 電機參數(shù)表
 
2 模態(tài)分析有限元模型建立
 
2.1 定子鐵芯等效
為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結(jié)構(gòu)，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結(jié)構(gòu)并不是一個材料連續(xù)的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。
為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結(jié)構(gòu)進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。等效后的材料視為橫觀各向同性材料即疊片平面內(nèi)（x-y平面）視為各向同性材料，與疊片平面正交的軸向（z方向）剛度不同。等效后實體密度為鐵芯實際重量與模型體積的比值。定子材料參數(shù)有限元等效過程：在兩個相鄰硅鋼片疊片平面取單位面積的幾何作為分析對象，將疊壓過程縮短的長度平均分配到每個硅鋼片作為強制位移載荷，并把壓縮變形后狀態(tài)作為材料參數(shù)計算的初始狀態(tài)。分別在X、Y、Z單一方向上施加單位載荷，另外兩個方向施加對稱邊界條件，求解材料變形。由材料力學(xué)計算公式求解彈性模量F為x方向加載力，A為載荷作用面積，Lx為分析對象在x方向長度，Δx為x方向變形量，εx和εy為x方向和y方向的應(yīng)變；根據(jù)橫觀各向同性材料彈性模量E、泊松比PR及剪切模量G之間的關(guān)系：Ex=Ey=Ep，PRzx=PRzy=PRnp，PRxz=PRyz=PRpn，Gxz=Gyz=Gn，材料參數(shù)求解。
 
 
2.2 繞組等效
 
早期研究認為由于繞組與定子間有槽絕緣紙的存在，繞組與定子非固定連接，僅考慮繞組質(zhì)量對定子模態(tài)的影響。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)繞組對模態(tài)不僅提供質(zhì)量而且還有剛度的貢獻。
由于實際繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模困難并且繞組材料參數(shù)受槽滿率、浸漆等生產(chǎn)工藝因素影響較大。為便于模型處理與計算，本文繞組簡化模型簡化如下：
（1）采用直導(dǎo)體代替槽內(nèi)多匝電磁線，僅建立槽內(nèi)有效長度模型；
（2）端部繞組質(zhì)量平均分配在槽內(nèi)繞組上，忽略端部繞組剛度的影響；
（3）等效后繞組與定子緊密接觸，按照網(wǎng)格共節(jié)點處理；
（4）等效后繞組密度為預(yù)估銅線重量與等效繞組體積的比值；
（5）等效后繞組視為各向同性材料，等效后繞組彈性模量根據(jù)純銅及鋼彈性模量按照槽滿率和槽與定子齒面積之比近視折算。
基于以上假設(shè)，建立的定子及繞組有限元模型如圖一。
 
圖1 定子鐵芯及繞組有限元模型
 
圖2 整機有限元模型
 
 2.3 殼體建模
由于殼體及端蓋上加強筋結(jié)構(gòu)對整機模態(tài)貢獻較大，模態(tài)分析時不能忽略，需建立完整的模型。同時為了簡化計算，忽略殼體及端蓋上對整機模態(tài)影響較小的倒角、圓角等細小特征。本文在分析整機模態(tài)時考慮定子與機殼過盈量。建立整機有限元模型見圖2，表2為模態(tài)分析有限元仿真參數(shù)。
表2 模態(tài)分析有限元仿真參數(shù)
 
 
圖3 整機狀態(tài)下定子模態(tài)分析結(jié)果
 
3 仿真結(jié)果分析
整機自由模態(tài)振型主要包含端蓋模態(tài)、機殼模態(tài)、電機轉(zhuǎn)子模態(tài)及定子模態(tài)。其中定子低階徑向振動模態(tài)易被電磁力激勵激起引起電磁振動噪聲。整機狀態(tài)下分析計算定子二階同相位模態(tài)頻率588HZ 、三階同相位模態(tài)頻率1523HZ、四階同相位模態(tài)頻率2760HZ，圖3為各階模態(tài)振型。
 
4 試驗?zāi)B(tài)
采用LMS SCADS 信號采集與分析系統(tǒng)對樣機進行模態(tài)試驗。將樣機置于彈性塑料墊上，在樣機中部周向布置36個激振點，采用錘擊法進行測試。為確保測試信號的可靠性，減小測試過程中的敲擊誤差及信號干擾，對同一測試點多次敲擊并對產(chǎn)生的信號取平均。圖4為試驗?zāi)B(tài)振型圖。表3為仿真與實測結(jié)果比較。
通過表三可以看出仿真與試驗結(jié)果偏差在5%以內(nèi)，說明仿真與實測結(jié)果基本吻合，具有較高的置信度。
表3 仿真與試驗比較
 
 
圖4 試驗?zāi)B(tài)振型圖
 
5 結(jié)論
本文以新能源汽車用驅(qū)動電機為研究對象，通過對定子鐵芯材料等效計算及電機結(jié)構(gòu)簡化，進行整機自由模態(tài)有限元分析。經(jīng)對比仿真與整機模態(tài)試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：
1.將鐵芯疊片結(jié)構(gòu)視為橫觀各向同性材料并通過有限元方法計算材料參數(shù)，為準確分析電機模態(tài)特性及NVH性能預(yù)測奠定基礎(chǔ)。
2.整機定子系統(tǒng)仿真與模態(tài)試驗結(jié)果偏差在5%以內(nèi)，驗證了本文提出模型簡化等效方法的合理性及仿真的準確性。 
 
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