新能源汽車驅動電機殼體與鐵心過盈量優化設計

【摘 要】新能源汽車驅動電機的殼體與鐵心的過盈量設計需要考慮低溫下抵抗材料屈服，也要考慮高溫及復雜載荷下的打滑，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設計。文章針對新能源汽車驅動電機殼體與鐵心過盈量設計問題，通過理論計算和有限元仿真分析，提出優化設計思路。

【關鍵詞】電機殼體；過盈量；開裂；打滑

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：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

新能源汽車驅動電機工況復雜：①溫升負荷大，電機鐵心溫度可以到170℃甚至更高，工作溫差大，最低-40℃，最高125℃；②扭矩負載高，電機最高功率密度10kW/kg，甚至更高。隨著整車動力性及經濟性的提升，電機輕量化、高性能輸出的要求進一步強化，主要表現為電機殼體需要減重，壁厚做得更薄，電機輸出扭矩更大，電機功率密度提升，溫升更加嚴苛等。這些都要求電機優化設計要更加科學和精細化，電機殼體與電機定子鐵心一般為過盈配合，電機殼體與鐵心的過盈量設計是電機結構設計的關鍵參數。如果設計不合理，將會出現重大失效故障。

1 問題分析

為了輕量化設計，車用驅動電機殼體采用鑄鋁制造，鐵心為硅鋼片材料，鋁膨脹系數高于鋼較多，如果過盈量設計偏小，在高溫及大扭矩下，鐵心與殼體相對打滑；如果過盈量設計偏大，在低溫情況下，電機殼體收縮量大于定子鐵心收縮量，殼體破裂。同時，過盈量是需要電機定子鐵心和殼體配合的參數，需要考慮當前殼體內徑和鐵心外徑的加工水平，如果過盈量公差設計太小，會導致產品合格率降低，成本上升，甚至無法加工。本文就驅動電機鐵心與殼體過盈量優化設計問題提出改善方案及優化方法。

取殼體內徑基本尺寸為D，殼體內徑上公差為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——殼體內徑最大尺寸；D_min——殼體內徑最小尺寸。

取電機定子鐵心外徑基本尺寸為d，鐵心內徑上公差為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——鐵心外徑內徑最大尺寸；d_min——鐵心外徑最小尺寸。

則電機殼體與鐵心的過盈量為：

A_max=D_min-d_max （5）

A_min=D_max-d_min （6）

式中：Amax——電機殼體與鐵心最大過盈量；Amin——電機殼體與鐵心最小過盈量。

需要分析Amax和Amin的合理設計范圍。鑄鋁殼體的熱膨脹系數為α1，溫度上升δ1；硅鋼鐵心的熱膨脹系數為α2，溫度上升δ2，則在溫度變化后，殼體的過盈量為：

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為α3，溫度降低δ3；硅鋼鐵心的冷縮系數為α4，溫度降低δ4，則在溫度變化后，殼體的過盈量為：

A_max=D_minα₃ δ₃-d_maxα₄ δ₄ （9）

A_min=D_maxα₃ δ₃-d_minα₄ δ₄ （10）

需要確認A_max在低溫下是否打滑，A_min在高溫下是否會打滑。

2 物理模型建立

以某款新能源汽車驅動電機為研究對象，電機參數見表1。分析電機殼體與鐵心過盈量設計問題。電機殼體受力較為復雜，殼體受到鐵心熱應力、靜摩擦力作用，還受到來自前后電機端蓋的支撐力及重力作用。為了簡化分析模型，降低計算量，做以下處理。

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

2）忽略電機殼體和鐵心的重力影響。

3）忽略定子內部的結構的影響，如電樞繞組、絕緣紙、絕緣漆。

4）假設電機定子鐵心和殼體是均勻溫度場，忽略溫差影響。

5）假設電機定子鐵心焊接后為一個剛體，忽略硅鋼片之間的影響。

模型簡化后，研究對象為電機殼體和電機定子鐵心（圖1），電機殼體主要受到固定約束，電機定子鐵心受到旋轉扭矩，電機殼體與鐵心之間為過盈配合及摩擦約束，摩擦系數根據經驗值取0.02，電機殼體和定子鐵心均勻溫度場。電機參數見表1。

_{vJ6QLZyuAX1+lBJocGEjNBW4rKfIuBYUDoOddD9jiU0=}3 仿真分析

建立仿真分析模型進行多物理場耦合仿真分析，其中電機殼體螺栓孔施加固定約束，電機定子鐵心與殼體施加摩擦約束，摩擦系數根據經驗值取0.02。定子鐵心施加峰值扭矩320N·m。電機殼體材料為鑄鋁，鐵心材料為硅鋼，鑄鋁屈服遠小于硅鋼，因此重點評價考核殼體的屈服情況。小過盈量時主要分析高溫情況，容易出現定子鐵心與殼體打滑失效，最高溫度150℃；大過盈量時，容易出現低溫殼體破裂失效，最低溫度-40℃。

仿真主要零件及材料特性參數見表2。

小過盈量時，根據殼體與定子鐵心之間的應力計算最大摩擦扭矩，電機峰值扭矩小于摩擦扭矩。計算如下：

T=P_a·S·u·r （11）

式中：T——扭矩；P_a——殼體應力；S——殼體與定子鐵心接觸面積；u——殼體與鐵心摩擦系數；r——定子鐵心半徑。

4 仿真分析說明

殼體與定子鐵心過盈量0.125～0.175mm，每隔0.01mm為一個點進行最大過盈量在-40℃溫度下仿真分析。殼體與定子鐵心過盈量0.055～0.105mm，每隔0.01mm為一個點進行最小過盈量在150℃溫度下仿真分析。仿真分析結果見表3。最大過盈量低溫殼體應力云圖如圖2所示。最小過盈量低溫殼體應力云圖如圖3所示。

1）最大過盈量為0.175mm時，殼體應力為272MPa，遠超材料屈服160MPa：最大過盈量為0.135mm時，殼體應力為153.1MPa，小于材料屈服強度160MPa。

2）最小過盈量為0.105mm時，殼體應力為167MPa；最小過盈量為0.075mm時，殼體應力為67.1MPa；計算得到T=334554.4N·m，遠大于320N·m。最小過盈量可繼續減小。

3）取滿足要求的最大過盈量為0.135mm，最小過盈量為0.105mm，雙邊過盈量公差為0.06，當前加工公差可滿足。

5 總結

根據以上方法校核了電機定子鐵心與殼體的過盈量，完成了電機振動、低溫運行、低溫存儲、高溫運行及耐久測試，試驗過程未出現鐵心打滑及殼體破裂問題。試驗表明優化的電機殼體與鐵心過盈量設計方法是有效的。

在電機過盈量設計過程中，鐵心為沖壓件，因各家供應商沖壓參數不一，鐵心精度不一，導致鐵心表面粗糙度及殼體內徑表面粗糙度也不相同，最終影響電機殼體與鐵心表面的摩擦系數。摩擦系數對最小過盈量影響比較大，可以通過測量鐵心表面摩擦系數，獲得更加優化的設計。

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（編輯 楊凱麟）