电动飞机主推进永磁同步电机强度分析

郭嘉成，王 森，赵阳阳，闫鸿魁，吕宗枢

(沈阳工程学院 a.电力学院; b.自动化学院，辽宁 沈阳 110136)

电动飞机主推进永磁同步电机强度分析

郭嘉成a，王 森b，赵阳阳a，闫鸿魁b，吕宗枢a

(沈阳工程学院 a.电力学院; b.自动化学院，辽宁 沈阳 110136)

为避免电动飞机飞行中主推进电机受多重载荷作用而可能导致强度不足的问题，通过对永磁同步电机强度进行分析，研究了定子与机壳之间的过盈配合方法。利用有限元软件分别对爬升阶段与巡航阶段电动飞机主推进电机定子与机壳和端盖强度特性进行仿真，分析了支撑筋宽度对电机强度的影响。研究结果表明，优化电机结构可满足机械强度要求，能减轻电机整机重量。

机械强度；永磁同步电机；有限元

近年来，许多学者对飞机电机的强度进行了研究分析，并取得了一定成果。文献[1]研究了表面贴式和内置式永磁电机的机械强度问题，建立了永磁体和护套的过盈量与电机最高转速的关系模型，并采用接触有限元法和等效环法对应力进行分析，提出过盈配合、转子热膨胀和离心力是转子结构设计中必须要综合考虑的因素。文献[2]对高速永磁电机转子设计与强度分析进行了研究，分别从永磁体材料的选择，永磁体的保护方式，转子外径和电机极数的选取等方面研究了电机强度的影响。用解析法计算了永磁体强度并用有限元软件仿真了一台转速为6 000 r/min的高速永磁电机，得到的仿真结果与解析法的分析相一致。文献[3]给出了降低混合动力电动汽车上的内置式永磁同步电动机转子铁心机械压力的方法，并结合电机的机械和电磁特性，利用有限元软件分析了动态速度剖面耐久性的问题。文献[4]针对飞轮储能非均质各向异性复合转子做了研究分析，建立简单的计算模型，用解析方法算出了复合材料飞轮应力和位移，并比较了不同材料对应力和位移分布的影响。

以上研究均是从转子角度对电机进行强度分析，下面将以永磁同步电机定子与机壳为研究对象，分析过盈量对电机机械强度的影响。根据飞机在爬升阶段与巡航阶段的不同工况，利用有限元仿真软件对主推进永磁同步电机强度进行分析。

1 电机机械强度分析

假设在飞行过程中，主推进电机各部分零件产生的热量是均匀分布的，并且在分析中考虑了轴向应力的影响。此外，为了提高强度，定子与机壳采用过盈配合，因此想要计算定子与机壳之间的压力必须首先计算定子与机壳的过盈量。

1.1 定子与机壳位移分析

1)静态过盈量

静态过盈量等于定子半径与机壳半径之差：

δd=rm0-rei

(1)

式中,rm0为定子半径；rei为机壳半径。

2)旋转位移及旋转过盈量

由于电动飞机在飞行过程中受气流的冲击及旋转离心力的作用，定子和机壳均产生径向位移分别为：

机壳位移：

(2)

定子位移：

(3)

式中，ρe，ρm，Ee，Em，ve，vm分别为机壳和定子的密度、弹性模量和泊松比；ω为旋转角速度。

由于旋转变形而减少的过盈量为：

Δδd=udyei-udym0

(4)

3)温度位移及总过盈量

温度位移：

(5)

定子与机壳间总的静态过盈量为[5]

δ=δd-Δδd-u

(6)

1.2 定子与机壳间静压力

(7)

2)工作静压力

当物体各部分温度发生变化时，由于自由膨胀受到约束而产生热应力。当物体受外力作用及温度影响时，根据线性热应力理论，应力是由两部分叠加的，其中一部分是与温度-q变化成比例，且在所有方向上有相同的压力-β(β为热应力系数)，另一部分则是温度不变而由外力产生的应力[6]。

考虑旋转离心力及温度情况，定子与机壳的工作静压力为

(8)

在实际运行中，应考虑轴向应力的影响，可得到定子与机壳的应力分布：

(9)

式中，δx，δy，δz分别为垂直径向、水平径向和轴向的应力。

2 有限元仿真分析

由于飞机飞行工况的特殊性，不同飞行阶段主推进电机运行的工况都不相同，所以对飞机爬升阶段和巡航阶段主推进电机的工况进行有限元分析。由于飞机爬升时所需功率最大，而巡航达到稳定状态后功率又有所降低。因此，在对机壳和端盖进行有限元仿真时，需得到不同阶段的仿真图，以避免由于强度过低、形变量过大而导致转子扫膛情况的出现。

2.1 定子与机壳强度仿真分析

根据飞机飞行时的不同工况，对主推进电机的定子与机壳进行条件约束，结合定子与机壳之间的压应力、机壳的材料属性(如表1所示)以及温度对材料膨胀的影响，利用有限元仿真软件对飞机爬升阶段与巡航阶段不同飞行工况时的永磁同步电机定子与机壳进行强度仿真，得到仿真结果如图1、图2所示。

表1 永磁同步电机机壳材料属性

图1 飞机爬升时的机壳形变

图2 飞机巡航时的机壳形变

通过对比不同时期仿真图可以看出，爬升阶段机壳最大形变量为4.146e-003 mm，巡航阶段机壳最大形变量为2.490e-003 mm。仿真结果表明，飞机在爬升时对主推进电机机壳强度的要求比在巡航时要高出40%。

2.2 端盖强度仿真分析

由于电动飞机主推进电机工作时端盖要承受螺旋桨产生的拉力，并且带动螺旋桨旋转时会产生相应的扭力，所以端盖强度对电机性能的影响非常重要。图3为飞机爬升阶段电机端盖形变图，图4为飞机巡航阶段电机端盖形变图。

图3 飞机爬升时端盖形变

图4 飞机巡航时端盖形变

通过对比不同时期仿真图可以看出，端盖中心轴处因为需要承受较大的拉力和扭力，所以形变量最大。爬升阶段端盖最大形变量为8.852e-002 mm，巡航阶段端盖最大形变量为5.909e-002 mm。由此可见，电机端盖形变量较小，强度满足要求。

2.3 支撑筋对机壳的影响分析

支撑筋是影响机壳强度的重要因素。支撑筋越细，电机的质量就越小，有利于提高电机的力能密度，但同时也导致机壳的机械强度下降。因此，如何选择支撑筋的宽度，是保证电机强度满足要求的重要因素。

支撑筋不同宽度时机壳最大应力和最大形变曲线如图5所示。

通过对比机壳的最大应力和最大形变量可以看出，随着支撑筋宽度的增大，机壳所承受的应力逐渐增强，而机壳的形变量逐渐变小。因此，选择一个合适的支撑筋宽度，才能满足电机强度的要求。

图5 支撑筋不同宽度时的机壳的应力和形变

3 结 语

研究了电动飞机主推进永磁同步电机的强度问题。定量分析了定子和机壳所承受的应力与形变位移，并用有限元软件仿真得到机壳、端盖的强度仿真图，得出以下结论：

1)电动飞机主推进电机在飞行中要承受较大的拉应力，所以电机定子和机壳需要采用过盈配合的方式来施加一定的预压力。因此，通过准确的应力分析确定过盈量，可保证电机的机械强度。

2)由于电动飞机在爬升阶段和巡航阶段的飞行工况不同，导致两个不同时期机壳和端盖的形变量不同，在爬升时期对机壳和端盖强度的要求要比巡航时期高出40%。

3)支撑筋宽度对电机强度有一定影响，支撑筋宽度越大，机壳所承受的应力越大，形变量越小。选择合适的支撑筋宽度，可满足电机机械强度的要求。

[1]张 涛，朱熀秋，孙晓东,等.基于有限元法的高速永磁转子强度分析[J].电机与控制学报，2012，16(6)：63-68.

[2]王继强，王凤翔，鲍文博，等.高速永磁电机转子设计与强度分析[J].中国电机工程学报，2005，25(15)：140-145.

[3]刘 坚，黄守道，浦清云,等.内置式永磁同步电动机转子结构的优化设计[J].微特电机，2011，39(3)：21-23.

[4]李 成，常向前，郑艳萍，等.复合材料储能飞轮应力位移场分析及与均质材料飞轮比较[J].太阳能学报，2007，28(10)：1168-l172.

[5]罗 敏，李巧珍，蒋海洋,等.加热炉直段炉管与管内外流体多场耦合分析[J].科学技术与工程，2010，10(35)：8862-8866.

[6]赵天环，高国旺，王卫民,等.基于ANSYS的开关磁阻电机定子振动模态分析[J].电机与控制应用，2013，40(5)：6-9.

[7]赵阳阳，闫鸿魁，王 森，等.基于混沌遗传算法的永磁无刷电机优化设计研究[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2016，12(3)：234-238.

(责任编辑 佟金锴 校对 魏静敏)

Strength Analysis Research on Permanent Magnet Synchronous Motor of Electric Aircraft Main Propulsion

GUO Jia-chenga，WANG Senb，ZHAO Yang-yanga，YAN Hong-kuib，LV Zong-shua

(Shenyang Institute of Engineering a.College of Electric Power，b.College of Automation， Shenyang 110136,Liaoning Province)

In order to avoid the problem of insufficient strength on electric aircraft main propulsion motor under multiple loads,through the analysis of the strength on permanent magnet synchronous motor,the method of interference fit between stator and casing is studied.Finite element software is used to simulate the strength characteristics of the stator and casing system and the end cover in climbing stage and in cruising stage.The effect of the support bar for the motor strength is analyzed.Based on the study of analytical results,the motor structure is optimized to meet the requirements of mechanical strength and save weight.

Mechanical strength;Permanent magnet synchronous motor;Finite element

2016-02-29

博士启动基金(201501088)；辽宁省教育厅项目(L2015374)

郭嘉成(1988-),男，辽宁朝阳人，硕士研究生。

王 森(1983-),男，辽宁盘锦人，讲师，博士，主要从事特种电机及控制系统设计方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.008

TM341

A

1673-1603(2016)04-0328-04