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摘要：针对燃料电池空压机转子设计中存在结构强度和温升破坏风险，通过有限元建模仿真方法，剖析了护套与永磁体间过盈量、护套厚度以及转轴空心孔内径等关键参数对转子受力的影响。结果表明，增加过盈量和护套厚度有利于提升转子强度；同时增大护套厚度并减小空心孔半径有利于转子最高许用工作温度提升；护套和永磁体的应力极值主要受最高温度的影响。1结构参数影响分析1.1转子结构和材料属性空压机转子主要由转轴、永磁体和护套3部分组成。永磁体采用表贴式结构，胶合在转轴外表面，永磁体外侧设置了过盈配合的护套加以保护。转轴为阶梯轴结构，且中间开有尺寸较大的空心孔以减轻转轴质量，提升转子稳定性。实际转轴由多个部件组装而成以便于加工和装配，但鉴于这些部件材料相同且安装牢固，因此在建模中将转轴作为整体处理。转轴的上下两端并非完全对称，但对于轴心线呈旋转对称。转子的简化结构示意图和二维轴对称有限元模型如图1所示，材料性能参数如表1所示。表1材料性能参数Tab.1 Material parameters图1 转子结构示意图及其有限元模型Fig.1 Schematic diagram ofrotor structure and finite elementmodel转子中心轴线上设置轴对称约束；在两端轴承安装位置的中点设置径向位移约束和全位移约束模拟轴承作用；在护套与永磁体的接触线上添加接触单元以设置初始过盈量；最后加载与工作转速对应的绕轴角速度。1.2过盈量永磁体由护套以过盈配合施加预压应力，但其反作用力会使护套等效应力增加。因此过盈量取值对转子的整体强度尤为重要。在强度校核中永磁体为脆性材料，应采用第一强度理论校核拉应力。而护套和转轴为塑性材料，应采用第四强度理论校核。选取工作转速100000 r·min-1，过盈量以0.01 mm为间隔从0.05 mm递增至0.15 mm，永磁体、护套和转轴在不同过盈量时所受的应力极值如表2所示。表2不同过盈量时的应力极值Tab.2 Stress extremum at differentinterferences对比表2中永磁体、护套和转轴的最大应力与表1中的强度极限值可以看出，当过盈量小于0.08mm时，永磁体将发生破坏，而过盈量大于0.14 mm后，护套将发生破坏，转轴则不存在强度问题。因此过盈量取值应在0.08～0.14mm之间。随着过盈量的增大，永磁体拉应力极值线性降低，护套等效应力极值线性提升。两者与过盈量间的拟合关系式为式中：σtmax为永磁体拉应力极值，MPa；δ为过盈量，mm。式中：σseqv为护套等效应力极值，MPa。从式（1）和式（2）可以看出，护套等效应力极值随过盈量的增长率远高于永磁体拉应力极值的降低率。所以采用大过盈配合保护永磁体时必须也要对护套应力进行校核，其强度决定了过盈量的取值上限。1.3护套厚度护套厚度会影响转子变形和动态过盈量，也会影响永磁体和护套受力。以0.01 mm为间隔取过盈量为0.05～0.15 mm，以0.5mm为间隔选取护套厚度为3.0～6.0 mm，并设置转速为100 000r·min-1。永磁体拉应力极值的仿真结果如表3所示，护套等效应力极值的仿真结果如表4所示。表3 不同过盈量和护套厚度时的永磁体拉应力极值Tab.3Tensile stress extremum of permanent magnet at different interferences andsleeve thicknesses表4 不同过盈量和护套厚度时的护套等效应力极值Tab.4 Equivalent stress extremum ofsleeve at different interferences and sleevethicknesses从表3的数据可知，不同护套厚度时永磁体拉应力极值均随着过盈量增大而线性降低，且护套厚度越大降低率越大。而护套厚度对永磁体拉应力的影响趋势取决于过盈量。考虑永磁体所受的拉应力需在强度极限以下，过盈量应大于0.08mm。所以在满足强度要求的过盈<EFBFBD><EFBFBD>
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