新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體與鐵心過(guò)盈量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

【摘 要】新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的殼體與鐵心的過(guò)盈量設(shè)計(jì)需要考慮低溫下抵抗材料屈服，也要考慮高溫及復(fù)雜載荷下的打滑，還需要考慮加工及裝配，需要綜合不同工作工況及條件擇優(yōu)設(shè)計(jì)。文章針對(duì)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體與鐵心過(guò)盈量設(shè)計(jì)問(wèn)題，通過(guò)理論計(jì)算和有限元仿真分析，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

【關(guān)鍵詞】電機(jī)殼體；過(guò)盈量；開(kāi)裂；打滑

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）10-0016-02

Optimal Design of New Energy Vehicle Drive Motor Shell and Iron Core Interference

WANG Pei，YU Hao，ZHANG Shulin

（GAC Ai′an New Energy Automobile Co.，Ltd.，Guangzhou 511434，China）

【Abstract】The interference design of the shell and iron core of the new energy vehicle drive motor needs to consider the resistance to material yield at low temperature，also needs to consider the skid under high temperature and complex load，and also needs to consider the processing and assembly，which needs to be optimized under different working conditions and conditions. This paper aims at the interference design of the shell and iron core of the new energy vehicle drive motor. Through theoretical calculation and finite element simulation analysis，the optimization design idea is put forward.

【Key words】motor housing；interference amount；cracking；slip

新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工況復(fù)雜：①溫升負(fù)荷大，電機(jī)鐵心溫度可以到170℃甚至更高，工作溫差大，最低-40℃，最高125℃；②扭矩負(fù)載高，電機(jī)最高功率密度10kW/kg，甚至更高。隨著整車(chē)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的提升，電機(jī)輕量化、高性能輸出的要求進(jìn)一步強(qiáng)化，主要表現(xiàn)為電機(jī)殼體需要減重，壁厚做得更薄，電機(jī)輸出扭矩更大，電機(jī)功率密度提升，溫升更加嚴(yán)苛等。這些都要求電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)要更加科學(xué)和精細(xì)化，電機(jī)殼體與電機(jī)定子鐵心一般為過(guò)盈配合，電機(jī)殼體與鐵心的過(guò)盈量設(shè)計(jì)是電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。如果設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)出現(xiàn)重大失效故障。

1 問(wèn)題分析

為了輕量化設(shè)計(jì)，車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體采用鑄鋁制造，鐵心為硅鋼片材料，鋁膨脹系數(shù)高于鋼較多，如果過(guò)盈量設(shè)計(jì)偏小，在高溫及大扭矩下，鐵心與殼體相對(duì)打滑；如果過(guò)盈量設(shè)計(jì)偏大，在低溫情況下，電機(jī)殼體收縮量大于定子鐵心收縮量，殼體破裂。同時(shí)，過(guò)盈量是需要電機(jī)定子鐵心和殼體配合的參數(shù)，需要考慮當(dāng)前殼體內(nèi)徑和鐵心外徑的加工水平，如果過(guò)盈量公差設(shè)計(jì)太小，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品合格率降低，成本上升，甚至無(wú)法加工。本文就驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心與殼體過(guò)盈量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題提出改善方案及優(yōu)化方法。

取殼體內(nèi)徑基本尺寸為D，殼體內(nèi)徑上公差為ES，下公差為EI，則殼體尺寸為：

D_max=D+E_S （1）

D_min=D-E_I （2）

式中：D_max——?dú)んw內(nèi)徑最大尺寸；D_min——?dú)んw內(nèi)徑最小尺寸。

取電機(jī)定子鐵心外徑基本尺寸為d，鐵心內(nèi)徑上公差為es，下公差為ei，則殼體尺寸為：

d_max=d+e_s （3）

d_min=d+e_i （4）

式中：d_max——鐵心外徑內(nèi)徑最大尺寸；d_min——鐵心外徑最小尺寸。

則電機(jī)殼體與鐵心的過(guò)盈量為：

A_max=D_min-d_max （5）

A_min=D_max-d_min （6）

式中：Amax——電機(jī)殼體與鐵心最大過(guò)盈量；Amin——電機(jī)殼體與鐵心最小過(guò)盈量。

需要分析Amax和Amin的合理設(shè)計(jì)范圍。鑄鋁殼體的熱膨脹系數(shù)為α1，溫度上升δ1；硅鋼鐵心的熱膨脹系數(shù)為α2，溫度上升δ2，則在溫度變化后，殼體的過(guò)盈量為：

A_max=D_minα₁ δ₁-d_maxα₂ δ₂ （7）

A_min=D_maxα₁ δ₁-d_minα₂ δ₂ （8）

鑄鋁殼體的冷縮系數(shù)為α3，溫度降低δ3；硅鋼鐵心的冷縮系數(shù)為α4，溫度降低δ4，則在溫度變化后，殼體的過(guò)盈量為：

A_max=D_minα₃ δ₃-d_maxα₄ δ₄ （9）

A_min=D_maxα₃ δ₃-d_minα₄ δ₄ （10）

需要確認(rèn)A_max在低溫下是否打滑，A_min在高溫下是否會(huì)打滑。

2 物理模型建立

以某款新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。分析電機(jī)殼體與鐵心過(guò)盈量設(shè)計(jì)問(wèn)題。電機(jī)殼體受力較為復(fù)雜，殼體受到鐵心熱應(yīng)力、靜摩擦力作用，還受到來(lái)自前后電機(jī)端蓋的支撐力及重力作用。為了簡(jiǎn)化分析模型，降低計(jì)算量，做以下處理。

1）物理解耦，簡(jiǎn)化分析模型，考慮到電機(jī)殼體與鐵心之間的作用力占主要成分，忽略電機(jī)前后端蓋及鏈接螺栓，忽略定轉(zhuǎn)子之間的作用力，研究對(duì)象為電機(jī)殼體和電機(jī)定子鐵心。

2）忽略電機(jī)殼體和鐵心的重力影響。

3）忽略定子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)的影響，如電樞繞組、絕緣紙、絕緣漆。

4）假設(shè)電機(jī)定子鐵心和殼體是均勻溫度場(chǎng)，忽略溫差影響。

5）假設(shè)電機(jī)定子鐵心焊接后為一個(gè)剛體，忽略硅鋼片之間的影響。

模型簡(jiǎn)化后，研究對(duì)象為電機(jī)殼體和電機(jī)定子鐵心（圖1），電機(jī)殼體主要受到固定約束，電機(jī)定子鐵心受到旋轉(zhuǎn)扭矩，電機(jī)殼體與鐵心之間為過(guò)盈配合及摩擦約束，摩擦系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.02，電機(jī)殼體和定子鐵心均勻溫度場(chǎng)。電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

_{vJ6QLZyuAX1+lBJocGEjNBW4rKfIuBYUDoOddD9jiU0=}3 仿真分析

建立仿真分析模型進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合仿真分析，其中電機(jī)殼體螺栓孔施加固定約束，電機(jī)定子鐵心與殼體施加摩擦約束，摩擦系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.02。定子鐵心施加峰值扭矩320N·m。電機(jī)殼體材料為鑄鋁，鐵心材料為硅鋼，鑄鋁屈服遠(yuǎn)小于硅鋼，因此重點(diǎn)評(píng)價(jià)考核殼體的屈服情況。小過(guò)盈量時(shí)主要分析高溫情況，容易出現(xiàn)定子鐵心與殼體打滑失效，最高溫度150℃；大過(guò)盈量時(shí)，容易出現(xiàn)低溫殼體破裂失效，最低溫度-40℃。

仿真主要零件及材料特性參數(shù)見(jiàn)表2。

小過(guò)盈量時(shí)，根據(jù)殼體與定子鐵心之間的應(yīng)力計(jì)算最大摩擦扭矩，電機(jī)峰值扭矩小于摩擦扭矩。計(jì)算如下：

T=P_a·S·u·r （11）

式中：T——扭矩；P_a——?dú)んw應(yīng)力；S——?dú)んw與定子鐵心接觸面積；u——?dú)んw與鐵心摩擦系數(shù)；r——定子鐵心半徑。

4 仿真分析說(shuō)明

殼體與定子鐵心過(guò)盈量0.125～0.175mm，每隔0.01mm為一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行最大過(guò)盈量在-40℃溫度下仿真分析。殼體與定子鐵心過(guò)盈量0.055～0.105mm，每隔0.01mm為一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行最小過(guò)盈量在150℃溫度下仿真分析。仿真分析結(jié)果見(jiàn)表3。最大過(guò)盈量低溫殼體應(yīng)力云圖如圖2所示。最小過(guò)盈量低溫殼體應(yīng)力云圖如圖3所示。

1）最大過(guò)盈量為0.175mm時(shí)，殼體應(yīng)力為272MPa，遠(yuǎn)超材料屈服160MPa：最大過(guò)盈量為0.135mm時(shí)，殼體應(yīng)力為153.1MPa，小于材料屈服強(qiáng)度160MPa。

2）最小過(guò)盈量為0.105mm時(shí)，殼體應(yīng)力為167MPa；最小過(guò)盈量為0.075mm時(shí)，殼體應(yīng)力為67.1MPa；計(jì)算得到T=334554.4N·m，遠(yuǎn)大于320N·m。最小過(guò)盈量可繼續(xù)減小。

3）取滿(mǎn)足要求的最大過(guò)盈量為0.135mm，最小過(guò)盈量為0.105mm，雙邊過(guò)盈量公差為0.06，當(dāng)前加工公差可滿(mǎn)足。

5 總結(jié)

根據(jù)以上方法校核了電機(jī)定子鐵心與殼體的過(guò)盈量，完成了電機(jī)振動(dòng)、低溫運(yùn)行、低溫存儲(chǔ)、高溫運(yùn)行及耐久測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程未出現(xiàn)鐵心打滑及殼體破裂問(wèn)題。試驗(yàn)表明優(yōu)化的電機(jī)殼體與鐵心過(guò)盈量設(shè)計(jì)方法是有效的。

在電機(jī)過(guò)盈量設(shè)計(jì)過(guò)程中，鐵心為沖壓件，因各家供應(yīng)商沖壓參數(shù)不一，鐵心精度不一，導(dǎo)致鐵心表面粗糙度及殼體內(nèi)徑表面粗糙度也不相同，最終影響電機(jī)殼體與鐵心表面的摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)對(duì)最小過(guò)盈量影響比較大，可以通過(guò)測(cè)量鐵心表面摩擦系數(shù)，獲得更加優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

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（編輯 楊凱麟）