某新能源汽车驱动电机旋变盖模态分析

2021-04-23覃一伦

装备制造技术 2021年12期

韦舒，覃一伦

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州 545005）

0 引言

驱动电机旋变盖板安装于电机后端盖旋变位置，为旋变提供密封环境。旋变盖安装于电机后端盖上，若选用低成本冲压成型的薄壁件，则对噪声辐射控制是极为不利的。本文选用某永磁同步电机作为研究对象，其激励源主要有电磁力和不平衡力。对旋变盖进行模态分析了解其固有特征，规避在主要激励频率范围内产生结构响应辐射噪声。

1 激励源分析

电机激励力主要有电磁力和旋转机械激励力[1]。电磁力主要由定、转子谐波磁场相互作用而产生随时间和空间变化的电磁力。旋转机械激励力主要由旋转部件摩擦（如轴承）、几何形状不规则（如转子不平衡）等产生。电磁力主要由径向电磁力对壳体激励而向外辐射振动产生，其主要特征与极对数、极槽数线性相关。本文研究电机为峰值转速12000 r/min，8 极、48槽永磁同步电机，所以其激励力频率范围为：

其中，f为频率，N为电机转速，p为极对数。

旋转机械激励力主要由不平衡力及转子、定子不对中产生的1 阶、2 阶及其谐次激励。

2 模态分析理论

模态是结构系统的一种固有属性，表征模态的特征参数是振动系统各阶固有频率、阵型、模态质量、模态刚度和模态阻尼等[2]。模态分析就是用模态参数来表示结构系统的运动方程，确定模态参数的过程。一般结构系统在进行动态分析时，通常可运动微分方程描述：

式中：[M] 为系统的质量矩阵；[C] 为系统的阻尼矩阵；[K]为系统的刚度矩阵；{x¨}、{x˙}、{x}为系统的加速度向量、速度向量、位移向量；{f（t）}为系统的外激励力向量。

模态分析方法就是以无阻尼的各阶主阵型所对应的模态坐标来代替物理坐标，使微分方程解耦，变成各个独立微分方程。通过Laplace 变换及引入模态坐标，相互耦合的N个自由度系统的方程组解耦后的第i个方程为：

在任意坐标l 下，其响应为：

从式（3）可知，采用模态坐标后，N自由度振动系统的振动响应，相当于N个模态坐标下单自由度系统的响应之和。在模态坐标下的质量Mi，刚度Ki，阻尼Ci及固有阵型φji，均称为模态参数，并分别称为模态质量，模态刚度，模态阻尼及模态阵型。

3 旋变盖有限元模态分析

3.1 模型

旋变盖作为密封旋变的零件，其设计需要有一定的刚度及强度，避免受电磁力、机械激励力等激励共振。图1 为旋变盖几何模型，图2 为旋变盖有限元模型。本模型宽厚比大于20，因而使用壳单元网格来提高计算精度。

图1 旋变盖几何模型

图2 有限元模型

3.2 边界条件

驱动电机通过螺栓刚性连接至变速器，旋变盖安装在电机壳体的后端，后端盖的刚度相对于旋变盖可视为刚体，因此,电机壳体后端盖对6 个安装孔自由度全约束。计算旋变盖约束模态结果是：杨氏模量为205000 MPa，泊松比为0.29，密度为7.85E-009 t/mm3。约束边界如图3 所示。通过使用ABAQUS 的Lanczos 求解方法，求得40 个模态本征值完成约束模态求解。