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汽车|新能源汽车用电机模态有限元分析


作者 |张镇 薛勇/广州汽车集团
来源 |EDC电驱未来
1 引言
作为新能源汽车“三电系统”的重要组成部分 ， 驱动电机朝着小型化、轻量化、高速、高功率密度、高效率的方向发展 ， 导致电机结构设计出现较薄化 ， 易产生振动噪声问题 。 振动噪声会引起电机结构疲劳损坏 ， 降低整车舒适性 ， 引起市场抱怨 ， 进而降低产品竞争力 。 因此 ， 解决电机振动噪声问题成为近年来国内研究的热点 。
电机运行过程中 ， 作用于定子的径向电磁力波频率与定子结构固有频率接近时会引起共振 ， 进而产生电磁噪声 。 为抑制电磁噪声 ， 就要做到“避频”和“避型”即需将同一阶次的径向电磁力频率和定子结构固有频率错开 。 因此 ， 为准确预测和抑制整机电磁噪声 ， 需要准确计算分析定子固有频率及其模态特性 。
本文基于Hypermesh有限元软件建立新能源汽车用永磁同步电机模型进行模态分析 ， 其参数指标如表1：
表1 电机参数表
汽车|新能源汽车用电机模态有限元分析
本文插图

2 模态分析有限元模型建立
2.1 定子铁芯等效
为减小涡流损耗 ， 提高电机效率 ， 定子铁芯通常不采用实体结构 ， 而是由多个带有绝缘涂层的薄硅钢片沿轴向叠压而成 。 由于铁芯叠层结构并不是一个材料连续的弹性体 ， 因此不能简单地将定子铁芯作为各向同性材料 。
为便于计算求解 ， 本文采用实体等效定子铁芯叠层结构进行建模：实体模型平面特征与单个硅钢片一致 ， 长度与铁芯轴向长度相同 。 等效后的材料视为横观各向同性材料即叠片平面内（x-y平面）视为各向同性材料 ， 与叠片平面正交的轴向（z方向）刚度不同 。 等效后实体密度为铁芯实际重量与模型体积的比值 。 定子材料参数有限元等效过程：在两个相邻硅钢片叠片平面取单位面积的几何作为分析对象 ， 将叠压过程缩短的长度平均分配到每个硅钢片作为强制位移载荷 ， 并把压缩变形后状态作为材料参数计算的初始状态 。 分别在X、Y、Z单一方向上施加单位载荷 ， 另外两个方向施加对称边界条件 ， 求解材料变形 。 由材料力学计算公式求解弹性模量
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F为x方向加载力 ， A为载荷作用面积 ， Lx为分析对象在x方向长度 ， Δ x为x方向变形量 ， ε x和ε y为x方向和y方向的应变；根据横观各向同性材料弹性模量E、泊松比PR及剪切模量G之间的关系： E x= E y= E p ，PR zx= PR zy= PR np ，PR xz= PR yz= PR pn ，G xz= G yz= G n ，
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材料参数求解 。
2.2 绕组等效
早期研究认为由于绕组与定子间有槽绝缘纸的存在 ， 绕组与定子非固定连接 ， 仅考虑绕组质量对定子模态的影响 。 随着研究的深入 ， 发现绕组对模态不仅提供质量而且还有刚度的贡献 。
由于实际绕组结构复杂 ， 建模困难并且绕组材料参数受槽满率、浸漆等生产工艺因素影响较大 。 为便于模型处理与计算 ， 本文绕组简化模型简化如下：
（1）采用直导体代替槽内多匝电磁线 ， 仅建立槽内有效长度模型；
（2）端部绕组质量平均分配在槽内绕组上 ， 忽略端部绕组刚度的影响；
（3）等效后绕组与定子紧密接触 ， 按照网格共节点处理；
（4）等效后绕组密度为预估铜线重量与等效绕组体积的比值；
（5）等效后绕组视为各向同性材料 ， 等效后绕组弹性模量根据纯铜及钢弹性模量按照槽满率和槽与定子齿面积之比近视折算 。 基于以上假设 ， 建立的定子及绕组有限元模型如图一 。
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