基于有限元的电机定子与壳体过盈配合许用传扭分析方法

摘要

本发明公开一种基于有限元的电机定子与壳体过盈配合许用传扭分析方法，包括建立电机定子与壳体有限元模型；选取约束位置作为施加有限元模型边界条件；有限元模型的求解；提取接触位置节点的接触压力；计算许用传扭；分析许用传扭；本发明提出的方法充分整合了理论计算法和有限元分析法两者的优势，首先通过有限元分析得到电机定子与壳体过盈配合接触结果，并对结果进行提取处理，可以快速有效地计算出两者之间的许用传扭，最大程度降低了主观性判断带来的计算结果离散度较大问题，提升了分析精度。同时，本方法可以充分考虑电机定子与壳体结构本身刚度带来的影响，同时引入材料非线性，可以大大提高分析精度。

说明书

技术领域

本发明涉及电机设计技术领域，尤其涉及一种基于有限元的电机定子与壳体过盈配合许用传扭分析方法。

背景技术

驱动电机是纯电动汽车的动力核心。车用驱动电机定子与壳体之间多采用过盈配合连接，通过一定的装配方法使定子与壳体间产生过盈，从而产生径向压力，工作时靠径向压力产生的摩擦力传递扭矩，过盈连接具有结构简单、对中性好、承载能力大的优点。但车用驱动电机实际工况复杂多变，需要不断进行启停、倒车以及加减速等。在运转过程中电机会出现较大的温差分布，电机壳体为了有效进行散热和轻量化，一般选择导热系数较大的铸铝材料，而定子多采用硅钢片，铸铝的热膨胀系数约为硅钢的2倍左右，这就导致当电机的温度升高时，壳体与定子之间的过盈量会随之减少，两者之间传递扭矩能力急剧下降。因此，需要建立一种能够准备计算电机定子与壳体过盈配合许用传扭的分析方法，以满足产品性能开发需要，这对于电机的连接结构设计具有重要的指导意义。

目前，对于电机定子与壳体过盈配合许用传扭分析主要有两种方法：

第一种是理论计算法，但是理论法均为基于一定的假设，假设被连接件是两个等长厚壁圆筒，配合面间的压强均匀分布，包容件与被包容件处于平面应力状态，这种理论算法无法考虑电机实际结构带来的刚度影响，尤其是考核温度载荷以后，理论方法只能按照均匀膨胀计算，无法考虑复杂的边界条件，通常计算结果与实际相差甚远，精度无法满足需求。

第二种是单纯的有限元分析法，这种方法通过有限元计算可以得出电机定子与壳体过盈配合面的接触压力分布，通过对接触压力分布进行分析可以得到极值位置，但这种分析方法无法准确计算出电机定子与壳体之间的许用传扭，且该分析方法具有很大程度的主观性，单纯从接触压力分布云图无法给出准确的判断，且现有方法中均未考虑电机定子与壳体材料非线性，分析精度也无法满足要求。

专利(CN110427658A)《一种基于有限元分析的电机定子系统配合公差确定方法》，公布了一种基于有限元分析的电机定子系统配合公差确定方法，该专利采用有限元分析方法对水冷套与电机壳体上下止口焊接深度、水冷套与定子铁芯过盈量及水冷套与电机壳体间隙量进行分析，保证水冷套与电机壳体焊接区域满足强度要求，同时考虑了工艺精度对实际过盈量和实际间隙量的影响，获得实际过盈量和实际间隙量。该专利主要侧重对电机壳体强度的校核，未提及如何计算电机定子与壳体过盈配合许用传扭。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于有限元的电机定子与壳体过盈配合许用传扭分析方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于有限元的电机定子与壳体过盈配合许用传扭分析方法，包括：

建立电机定子与壳体有限元模型，对电机定子与壳体进行网格划分，调整电机定子与壳体接触位置处的网格，使得接触位置节点做到一一对应；

以电机定子与壳体的实际装配区域定义接触区域，并建立电机定子与壳体的接触关系；其中，其中电机定子侧定义为主面，命名为contact-m，电机壳体侧定义为从面，命名为contact-s，设置摩擦系数属性；

由接触从面上的节点建立节点集合，用于输出接触配合信息；其中，从面点集合命名为contact-slave-nodes；

定义电机定子与壳体材料性质；

选取约束位置作为施加有限元模型边界条件，然后对有限元模型建立过盈配合以及定义电机定子与壳体的温度场载荷；其中，对有限元模型建立过盈配合是指将电机定子与壳体的接触关系定义为过盈配合接触关系；

有限元模型的求解；

提取接触位置节点的接触压力；

计算许用传扭；

分析许用传扭。

进一步地，生成实体后的有限元模型中，电机定子选用一阶六面体单元C3D8I，电机壳体选用二阶四面体单元C3D10M

进一步地，定义电机定子与壳体的材料性质包括：定义电机定子与壳体材料的弹性模量E、泊松比μ、热膨胀系数α以及弹塑性属性，其中，弹塑性属性需定义为真实应力与塑性应变关系。

进一步地，还包括：

选取电机壳体法兰面螺栓孔位置作为约束位置，将螺栓孔位置节点通过rbe3单元建立耦合关系，约束rbe3单元从点的1～6方向自由度。

进一步地，有限元模型求解，还包括：

施加有限元模型边界条件后，通过分析有限元模型，求解过盈配合接触载荷；

进行有限元分析，得到电机定子与壳体在过盈配合载荷作用下的应力与两者过盈接触面之间的接触状态；

在过盈配合接触载荷的基础上通过分析有限元模型，求解温度场载荷；

进行有限元分析，得到电机定子与壳体在过盈配合以及温度场载荷作用下的应力与两者过盈接触面之间的接触状态。

进一步地，所述求解过盈配合接触载荷以及求解温度场载荷均需定义接触面状态信息输出，定义方式为：

*PRINT,CONTACT＝YES,SOLVE＝YES

*CONTACT PRINT,SLAVE＝

NSET＝

进一步地，提取接触位置节点的接触压力包括：在过盈配合以及温度场载荷作用下，将电机定子与壳体的过盈接触面之间的接触状态输出到求解过程文件DAT文件中，提取DAT文件中NODE以及对应的CPRESS值，定义提取的NODE节点总数为n；

进一步地，计算许用传扭，还包括根据公式计算电机定子与壳体过盈配合许用传扭M，所述公式为：

式中，d为定子外径，l为定子长度，p电机定子与壳体接触面的平均接触压力。

进一步地，根据公式计算电机定子与壳体接触面的平均接触压力p，所述公式为：

式中，Cpress为节点接触压力提取的接触面从面各个节点的接触压力值，n为接触面从面节点总数，p为平均接触压力。

进一步地，分析许用传扭，还包括：当计算所得许用传扭不低于所要求的目标传载扭矩时，则电机定子与壳体过盈配合许用传扭满足要求，否则不满足要求，需要进行优化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于有限元的电机定子与壳体过盈配合许用传扭分析方法，该方法充分整合了理论计算法和有限元分析法两者的优势，首先通过有限元分析得到电机定子与壳体过盈配合接触结果，并对结果进行提取处理，可以快速有效地计算出两者之间的许用传扭，最大程度降低了主观性判断带来的计算结果离散度较大问题，提升了分析精度。同时，本方法可以充分考虑电机定子与壳体结构本身刚度带来的影响，同时引入材料非线性，可以大大提高分析精度。

附图说明

图1为本发明实施例中一种基于有限元的电机定子与壳体过盈配合许用传扭分析方法流程图；

图2为本发明实施例中电机定子与壳体有限元计算结构示意图；

图3为本发明实施例中电机定子与壳体过盈配合接触位置网格示意图；

图4为本发明实施例中电机定子与壳体有限元模型约束位置示意图；

图5为本发明实施例中电机定子与壳体结构尺寸示意图；

图6为本发明实施例中材料塑性属性数据表；

图7为本发明实施例中DAT文件提取数据汇总表。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅说明书附图，本发明提供一种技术方案：一种基于有限元的电机定子与壳体过盈配合许用传扭分析方法，包括以下步骤：

S100、建立电机定子与壳体有限元模型，对电机定子与壳体进行网格划分，如图3所示，调整电机定子与壳体接触位置处的网格，使得接触位置节点做到一一对应；

S200、以电机定子与壳体的实际装配区域定义接触区域，并建立电机定子与壳体的接触关系；其中，其中电机定子侧定义为主面，命名为contact-m，电机壳体侧定义为从面，命名为contact-s，设置摩擦系数属性；

S300、由接触从面上的节点建立节点集合，用于输出接触配合信息；其中，从面点集合命名为contact-slave-nodes；

S400、定义电机定子与壳体材料性质；

S500、选取约束位置作为施加有限元模型边界条件，然后对有限元模型建立过盈配合以及定义电机定子与壳体的温度场载荷；其中，对有限元模型建立过盈配合是指将电机定子与壳体的接触关系定义为过盈配合接触关系；

S600、有限元模型的求解；

S700、提取接触位置节点的接触压力；

S800、计算许用传扭；

S900、分析许用传扭。

上述实施例中，如图2所示，步骤S100中建模分为电机壳体与电机定子两个零件，利用有限元建模软件对电机定子与壳体进行网格划分。

步骤S500中，电机定子与壳体的接触关系定义为过盈配合接触关系，使得考虑电机定子与壳体装配尺寸公差时定子与壳体之间能够形成过盈配合，。根据轴孔公差带确定电机定子与壳体过盈量为(0.15mm～0.24mm)，为考核最恶劣工况，过盈量取过盈区间下限值0.24mm。定义电机定子与壳体的温度场载荷，，按照电机工作时实际工况的最高值加载，且电机定子与壳体之间存在温差。电机定子施加温度载荷150℃，电机壳体施加温度载荷120℃。

可选地，生成实体后的有限元模型中，电机定子选用一阶六面体单元C3D8I，电机壳体选用二阶四面体单元C3D10M

可选地，定义电机定子与壳体的材料性质包括：定义电机定子与壳体材料的弹性模量E、泊松比μ、热膨胀系数α以及弹塑性属性，其中，弹塑性属性需定义为真实应力与塑性应变关系。

上述实施例中，材料塑性属性如表1所示。

电机定子材料一般取硅钢材料，优选地，弹性模量E＝165000MPa、泊松比μ＝0.27、热膨胀系数α＝1.10E-5。电机壳体一般去铝合金材料，弹性模量E＝74000MPa、泊松比μ＝0.33、热膨胀系数α＝2.11E-5。

可选地，如图4所示，选取电机壳体法兰面螺栓孔位置作为约束位置，将螺栓孔位置节点通过rbe3单元建立耦合关系，约束rbe3单元从点的1～6方向自由度。

可选地，有限元模型求解，还包括：

施加有限元模型边界条件后，通过分析有限元模型，求解过盈配合接触载荷；

进行有限元分析，得到电机定子与壳体在过盈配合载荷作用下的应力与两者过盈接触面之间的接触状态；

在过盈配合接触载荷的基础上通过分析有限元模型，求解温度场载荷；

进行有限元分析，得到电机定子与壳体在过盈配合以及温度场载荷作用下的应力与两者过盈接触面之间的接触状态。

上述实施例中，优选地，求解器选用ABAQUS/standard。

可选地，所述求解过盈配合接触载荷以及求解温度场载荷均需定义接触面状态信息输出，定义方式为：

*PRINT,CONTACT＝YES,SOLVE＝YES

*CONTACT PRINT,SLAVE＝

NSET＝

上述实施例中，电机定子侧定义为主面，命名为contact-m为电机定子接触面名称，电机壳体侧定义为从面，命名为contact-s为电机壳体接触面名称，从面点集合命名为contact-slave-nodes作为从面点集合名称。

可选地，提取接触位置节点的接触压力包括：在过盈配合以及温度场载荷作用下，将电机定子与壳体的过盈接触面之间的接触状态输出到求解过程文件DAT文件中，提取DAT文件中NODE以及对应的CPRESS值，定义提取的NODE节点总数为n。

上述实施例中，提取数据格式如表2所示：

可选地，根据公式计算电机定子与壳体接触面的平均接触压力p，所述公式为：

式中，Cpress为节点接触压力提取的接触面从面各个节点的接触压力值，n为接触面从面节点总数，p为平均接触压力。

上述实施例中，通过提取DAT文件数据，节点总数n＝86954，利用公式(1)，求得接触平均压力p＝1.2MPa。

可选地，计算许用传扭，还包括根据公式计算电机定子与壳体过盈配合许用传扭M，所述公式为：

式中，d为定子外径，l为定子长度，p电机定子与壳体接触面的平均接触压力。

上述实施例中，式中，d为定子外径，l为定子长度。结构尺寸如图5所示，定子外径d＝100mm，定子长度l＝40mm。由公式(2)求解得到扭矩M＝113Nm，即为电机定子与壳体过盈配合许用传扭，

可选地，分析许用传扭，还包括：当计算所得许用传扭不低于所要求的目标传载扭矩时，则电机定子与壳体过盈配合许用传扭满足要求，否则不满足要求，需要进行优化。

上述实施例中，该扭矩高于要求的目标传载扭矩100Nm，因此判定该电机定子与壳体过盈配合许用传扭能力满足要求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。