摘要 燃料电池 空压机 转子 设计 中 结构 强度 温升 破坏 风险 有限元 建模 仿真 方法 剖析 护套 永磁体 间 盈量 护套 厚度 转轴 空心 孔 内径 关键 参数 转子 受力 影响 结果表明 增加 过盈量 护套 厚度 有利于 提升 转子 强度 增大 护套 厚度 减小 空心 孔 半径 有利于 转子 许用 工作温度 提升 护套 永磁体 应力 极值 受 温度 影响 结构 参数 影响 分析 转子 结构 材料 属性 空压机 转子 转轴 永磁体 护套 永磁体 采用 表贴 式 结构 胶合 转轴 外 表面 永磁体 外侧 设置 过盈 配合 护套 保护 转轴 阶梯 轴 结构 开 尺寸 较大 空心 孔以 减轻 转轴 质量 提升 转子 稳定性 转轴 多个 部件 组装 而成 加工 装配 部件 材料 安装 牢固 建模 中将 转轴 整体 转轴 两端 对称 轴心 线 呈 旋转 对称 转子 简化 结构 示意图 二维 轴对称 有限元 模型 如图所示 材料 性能参数 如表 所示 表 材料 性能参数 图 转子 结构 示意图 有限元 模型 转子 中心 轴线 设置 轴对称 约束 两端 轴承 安装 位置 中点 设置 径向 位移 约束 全 位移 约束 模拟 轴承 作用 护套 永磁体 接触 线上 添加 接触 单元 设置 初始 过盈量 加载 工作 转速 绕 轴 角速度 过盈量 永磁体 护套 过盈 配合 施加 预压 应力 反作用力 护套 效应 力 增加 过盈量 取值 转子 整体 强度 尤为重要 强度 校核 中 永磁体 脆性 材料 应 采用 第一 强度 理论 校核 拉 应力 护套 转轴 塑性材料 应 采用 第四 强度 理论 校核 选取 工作 转速 过盈量 间隔 递增 永磁体 护套 转轴 过盈量 时 受 应力 极值 如表 所示 表 过盈量 时 应力 极值 表中 永磁体 护套 转轴 应力 表中 强度 极限值 当过 盈量 小于 时 永磁体 发生 破坏 而过 盈量 大于 护套 发生 破坏 转轴 强度 过盈量 取值 应 之间 过盈量 增大 永磁体 拉 应力 极值 线性 降低 护套 效应 力 极值 线性 提升 盈量 间 拟合 关系式 为式 中为 永磁体 拉 应力 极值 盈量 式 中 护套 效应 力 极值 从式 式 护套 效应 力 极值 随过 盈量 增长率 远高于 永磁体 拉 应力 极值 降低 率 采用 大过 盈 配合 保护 永磁体 时 护套 应力 校核 强度 盈量 取值 上限 护套 厚度 护套 厚度 影响 转子 变形 动态 过盈量 影响 永磁体 护套 受力 间隔 取过 盈量 间隔 选取 护套 厚度 设置 转速 永磁体 拉 应力 极值 仿真 如表 所示 护套 效应 力 极值 仿真 如表 所示 表 过盈量 护套 厚度 时 永磁体 拉 应力 极值 表 过盈量 护套 厚度 时 护套 效应 力 极值 从表 数据 可知 护套 厚度 时 永磁体 拉 应力 极值 过盈量 增大 线性 降低 护套 厚度 越大 降低 率越 护套 厚度 永磁体 拉 应力 影响 趋势 取决于 过盈量 永磁体 所受 拉 应力 需在 强度极限 过盈量 应 大于 强度 盈量 取值 区间 内随 护套 厚度 增加 永磁体 所受 拉 应力 减小 盈量 越大 增大 护套 厚度 永磁体 拉 应力 降低 率 越 高 护套 增厚 至过 盈量 时 拉 应力 降低 增大 护套 厚度 降低 永磁体 拉 应力 时 增加 过盈量 起到 更好 保护 作用 从表 护套 厚度 护套 所受 效应 力 极值 影响 很小 护套 厚度 增加 小幅 增长 这是 效应 力 极值 护套 内径 处且 过盈 装配 增大 护套 厚度 增加 护套 外径 护套 厚度 增厚 至时 护套 效应 力 增幅 升至 减小 护套 厚度 护套 强度 削弱 综上 可知 增大 护套 厚度 有利于 降低 永磁体 所受 拉 应力 护套 所受 效应 力有 不到 小幅 提升 增加 过盈量 护套 厚度 有利于 提升 转子 整体 强度 空心 孔 孔径 图中 转子 空心 孔 内径 长该 转子 空心 孔 设计 提升 转子 临界 转速 降低 转子 结构 强度 间隔 空心 孔 半径 减小 取过 盈量 仿真 计算 所得 永磁体 拉 应力 护套 效应 力 极值 如表和表 所示 从表和表中 数据 永磁体 拉 应力 护套 效应 力均 转轴 空心 孔 半径 减小 降低 减小 转轴 空心 孔 半径 有利于 转子 整体 强度 提升 定量 计算 可知 空心 孔 半径 减小 至后 永磁体 拉 应力 相比 时 降幅 达至且 幅度 随过 盈量 增大 略有 提升 护套 效应 力 降幅 至且 过盈量 越大 降幅 越小 减小 空心 孔 半径 降低 永磁体 所受 拉 应力 减小 空心 孔 孔径 时 永磁体 拉 应力 降低 率会 过盈量 增加 小幅 提升 从时 增长 时 增厚 护套 过盈 配合 时才 减小 空心 孔 孔径 选用 低过 盈量 永磁体 起到 保护 作用 表 空心 孔 半径 过盈量 时 永磁体 拉 应力 表 空心 孔 半径 过盈量 时 护套 效应 力 温度 影响 计算 分析 均匀 温度场 驱动 电机 一体化 设计 空压机 转子 工作 过程 中有 高 温升会 转子 额外 热应力 研究 永磁体 护套 温度 时 受力 找出 转子 工作温度 转子 冷却 设计 关键 环境温度 间隔 提升 转子 温度 设置 过盈量 工作 转速 时 应力 极值 如表 所示 表 温度 时 永磁体 护套 应力 从表 永磁体 拉 应力 极值 护套 效应 力 极值 温度 提升 增大 温度 升至 永磁体 应力 增长 护套 应力 增长 热应力 永磁体 强度 影响 远远 大于 护套 温度 超过 永磁体 强度极限 护套 时 强度 节 结论 先 增大 过盈量 减小 永磁体 所受 拉 应力 所得 如表 所示 从表中 数据 当过 盈量 时 转子 尚未 强度极限 永磁体 拉 应力 极值 温度 变化 曲线 拟合 一元 二次 函数 推算 永磁体 强度极限 盈量 时 护套 时 先 超过 强度极限 导致 转子 工作温度 降低 表 过盈量 温度 时 永磁体 护套 应力 转子 热态 工况 时应 相比 冷态 工况 增大 过盈量 取值 提升 转子 工作温度 但过 盈量 提升 护套 强度 取值 过大 护套 先 强度极限 情况 单靠 调整 过盈量 只能 转子 工作温度 提升 配合 设计 参数 调整 节 研究 结果表明 增大 护套 厚度 有利于 降低 永磁体 所受 拉 应力 故取 过盈量 间隔 增大 护套 厚度 护套 厚度 时 工作温度 如表 所示 表 护套 厚度 温度 时 永磁体 护套 应力 由表和表 可知 护套 厚度 增至 时 转子 工作温度 原先 增长 护套 厚度 时 护套 先于 永磁体 强度极限 增厚 护套 起到 提升 转子 工作温度 作用 受 护套 强度极限 节 研究 结果表明 减小 转轴 空心 孔 半径 起到 降低 永磁体 拉 应力 极值 作用 故取 过盈量 间隔 减小 空心 孔 半径 分析 如表 所示 表 空心 孔 半径 温度 时 永磁体 护套 应力 过盈量 由表和表 可知 空心 孔 半径 减小 转子 工作温度 原先 增长 减小 空心 孔 半径 减小 护套 所受 效应 力 永磁体 先 强度极限 护套 强度极限 裕量 进一步 提升 过盈量 增大 过盈量 仿真 如表 所示 表 空心 孔 半径 温度 时 永磁体 护套 应力 过盈量 当过 盈量 提升 至后 空心 孔 半径 减小 转子 工作温度 进一步 提升 减小 空心 孔 半径 起到 提升 转子 工作温度 作用 效果 还略 优于 增大 护套 厚度 优化 方法 综合 两种 方法 增大 护套 厚度 减小 空心 孔 半径 转子 工作温度 提升 护套 厚度 增大 空心 孔 半径 减小 至过 盈量 取 永磁体 拉 应力 极值 护套 效应 力 极值 结构 优化 转子 工作温度 提升 降低 转子 冷却 非 均匀 温度场 工作 中 空压机 转子 一侧 安装 叶轮 空气 增压 压缩空气 时 热量 转子 叶轮 端的 温度 高于 另一端 转子 轴向 较大 温差 转子 安装 电机 壳体 内部 难以 测量 温度 采用 两侧 端盖 处 安装 温度传感器 测量 轴承 位置 温度 预测 转子 温度 分布 采集 温度 施加 两端 轴承 位置 处 温度场 分析 温度场 分析 热 载荷 结构 强度 分析 设置 低温 端 温度 高温 端 温度 永磁体 护套 温度 分布 如图所示 应力 云图 如图所示 图 永磁体 护套 温度 分布 单位 图 永磁体 护套 应力 云图 单位 从图 护套 永磁体 上均 温度梯度 高温 端到 低温 端的 温度 降低 图 显示 应力 极值 靠近 高温 端的 位置 整体 应力 分布 均匀 温度场 时 十分相似 呈 两端 对称 转子 整体 温度 设置 护套 温度 仿真 计算 应力 分布 如图所示 图 均匀 温度场 永磁体 护套 应力 云图 单位 图和图 发现 护套 永磁体 温度梯度 应力 最小值 发生 变化 最大值 计算结果 相近 低温 端 高温 端的 温度 设置 温差 仿真 计算 护套 最低温度 温度 永磁体 护套 应力 护套 温度 均匀 温度场 计算 永磁体 护套 应力 相对误差 永磁体 护套 所受 应力 温度梯度 时 取决于 温度 低温 侧 温度 相关性 很小 测量 仿真 获取 外侧 护套 靠近 叶轮 安装 端的 温度 均匀 温度场 护套 永磁体 强度 校核 足够 精度 无需 温度场 分布 转子 轴向 温度梯度 时 应力 极值 受 温度 影响 降低 靠近 叶轮 高温 端 温度 永磁体 护套 发生 破坏 空压机 超高速 转子 冷却系统 设计 中 予以 重视 结论 本文 有限元法 燃料电池 离心式 空压机 超高速 转子 结构 强度 校核 确保 永磁体 护套 结构 强度 提升 工作温度 两个 角度 出发 研究 关键 设计 参数 影响 结论 强度 盈量 取值 区间 永磁体 拉 应力 随过 盈量 增大 减小 护套 效应 力 变化趋势 变化率 倍 护套 强度 盈量 取值 上限 增大 护套 厚度 减小 转轴 空心 孔 半径 减小 永磁体 拉 应力 护套 效应 力 增大 提升 永磁体 强度 作用 减小 空心 孔 半径 优化 转子 结构 增大 护套 厚度 提升 转子 工作温度 转子 轴向 温差 时 护套 永磁体 应力 极值 受 温度 影响 冷却系统 设计 中应 关注 靠近 叶轮 高温 端 冷却 作者 贡献 声明 张智明 研究 内容 建模 仿真 指导 论文 撰写 修改 潘佳琪 模型 搭建 仿真 数据分析 章桐 提出 研究 目标 协助 指导 作者 张智明 潘佳琪 章桐 同济大学 汽车 学院