车用永磁同步电机的结构振动仿真分析

◇中石化四机石油机械有限公司 刘泽华

针对电机随机振动引起的结构性破坏问题，以某电动车用永磁同步电机为研究对象，采用Ansys Workbench软件建立电机的有限元模型，对其进行模态分析，同时分析固有频率下电机前、后端盖以及机壳的结构强度。结果表明，电机端盖强度满足设计要求，电机机壳散热片翅片边缘处安全系数较低，分析结果为车用电机的结构优化设计提供了理论参考依据。

在能源日益匮乏以及环境污染日益严重的严峻的形势下，新能源电动汽车的研发引起了世界各国的高度关注。为抢占市场份额、领跑市场，电动汽车驱动用电机在设计上采取高密度、小型化、轻量化和低成本的设计方案，导致电机结构复杂、轻薄、刚度和强度难以保证[1-2]。驱动电机作为电动汽车的动力源，机械振动是导致电机疲劳、加速磨损、影响电机寿命的关键问题，振动导致的结构性破坏直接影响整车的安全性能，因此在随机振动状态下研究电机结构的强度意义重大。目前，电动汽车驱动用电机中的永磁同步电机具有高转矩密度、高功率密度和良好的调速性能等特点[3]，已广泛应用于电动汽车的驱动系统。但其较大的过载能力、较高的电磁密度、较宽的调速范围及复杂多变的工况，会增大共振的可能，进而引起严重的结构破坏。

为减少由恶劣工况下引起的结构破坏，采用有限元法中的模态分析，利用Ansys Workbench校核电机机壳、前、后端盖在随机振动下的结构可靠性，为电机结构设计时提供决策依据。

1 电机的有限元模态分析

1.1 电机结构的有限元模型

根据某样机的实际尺寸，建立电机的三位模型，在有限元模型建立之前需要将结构形状复杂的电机绕组、转子组件等内部零部件做相应的模型简化处理，可有效减少计算量，同时提高计算精度，简化后整个电机的质量约为 30kg，同时在简化掉的部件质心处建立等效的质量点。

表1 电机机盖、端盖以及定子的材料属性

电机网格划分后的有限元模型如图1所示。

图1 电机有限元模型

1.2 电机的约束

电动车上的电机一端固定在变速箱上，另一端悬置，因此对电机施加约束如图2所示。

图2 电机约束

1.3 边界条件

对电机施加边界条件，电机随机振动（加速度）功率谱按照随机振动GB/T28046.3-2011《道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验 第3部分：机械负荷》，连接于变速器的要求，需对X、Y、Z三个方向进行随机振动试验，即水平四周以及垂直上下设置（参数见表2），加速度均方根值为96.6m/s2。

2 电机有限元模态结果

2.1 电机模态分析结果

经过Ansys Workbench的迭代计算得出模态分析的结果，由于随机振动的最大频率为2000Hz，因此只列出前8阶模态振型，结果见表3。

图4 电机前八阶模态振型

电机的前八阶振型如图3所示，其中第一阶、第二阶和第三阶均未出现明显扭转振型，第二阶固有频率和第三阶固有频率基本相同，出现最大振型的位置也相近，随着频率增加，其余五个振型均出现了不同程度的扭转，且电机高阶模态固有频率较高，振型变化也较大。

图3 边界条件

从结果中看出，随着频率的增大，电机前、后端盖振型的形状不一样，差异较大，前端面变形较小，后端面变形较大，扭转振动较大，后盖振型表现为不规则多边形。由于随机振动振型差异较大，为避免电机在振动过程中出现结构强度失效，需对前、后端盖以及电机壳在振动中的结构强度进行研究分析。

2.2 前端盖随机振结果分析

图5 电机前端盖应力分布

计算结果显示，前端盖应力主要集中在均布的四个螺栓孔附近以及盖板内侧的辐条上，且最大应力为43.8MPa，发生在Y轴振动方向，在前盖和电机连接孔处。前端盖材料为铝合金ADC12，抗拉强度为228MPa，由此可计算得安全系数为n=5.2，满足设计和使用要求。

2.3 后端盖随机振动分析结果

图6 电机后端盖应力分布

仿真模拟计算结果显示：电机后端盖应力主要集中在孔口处，振动引起的孔口周围的应力要远大于无孔附近的应力，后端盖的最大应力为44.158MPa，发生在Z轴振动方向，后盖材料也是铝合金ADC12，抗拉强度为228MPa，计算可得安全系数n=5.16，满足设计和使用要求。

2.4 电机机壳随机振动分析结果

图7 电机机壳应力分布

仿真计算得电机机壳最大应力为133.6MPa，最大应力位于散热翅片边缘尖角处，应力集中较为明显，因该散热片与前端盖接触面积较小（Y轴振动方向亦是如此），发生在X轴振动方向。根据机壳材料是铝合金ADC12，抗拉强度为228MPa，计算安全系数n=1.7，安全系数偏低，因机壳应力仅存在于单个散热翅片边缘角处，对整体结构强度造成影响有限，建议对该散热片翅片边缘外端进行倒角处理来提高整体结构强度。

3 结论

本文利用Ansysworkbench CAE 仿真软件对某车型电机进行系统模态分析，按照国标GB/T 28046.3-2011在加速度均方根值为96.6m/s2的随机振动下，该电机前、后端盖在结构可靠性方面均满足设计要求；电机机壳安全系数偏低，后期建议对散热片外端进行倒角处理来提高机壳的可靠性。应用有限元法对电机结构的动态特性进行分析，可为今后同类型电机的振动分析提供一种参考，也为新产品设计开发提供一种有效预估方法。