电动汽车驱动电机的碰磨失效研究

第 32 卷? 第 10期 2010 年 5 月 武? 汉? 理? 工 ? 大? 学? 学? 报 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol. 32? No. 10 ? May. 2010 DOI: 10. 3963/ j. issn. 1671?4431. 2010. 10. 015 电动汽车驱动电机的碰磨失效研究 薛玉春1, 张 ? 威2, 王连加1, 张义民3 (1. 东北电力大学理学院, 吉林 132012; 2. 北华大学计算机科学技术学院, 吉林 132021; 3. 东北大学机械工程与自动化学院, 沈阳 110004) 摘? 要: ? 针对典型电动汽车的驱动电机与前驱动桥整体式驱动系统, 建立了两自由度耦合振动模型。考虑系统的陀螺 效应、 路面的不平度激励、 驱动电动机激励的作用, 研究车载驱动电机由于振动产生的转、 定子碰磨失效现象, 给出了电 机转子的陀螺角、 电机振动响应与定、 转子间气隙的关系, 并建立失效分析模型以及进行了可靠性分析, 得到了理想的数 值分析结果。 关键词: ? 电动汽车; ? 驱动电机; ? 陀螺效应; ? 振动; ? 碰磨; ? 可靠性 中图分类号: ? U 469. 72; ? TB 533. 2文献标识码: ? A文章编号: 1671?4431(2010)10 ?0065 ?04 Driving Motor Failure in Impact?rub Caused by Vibration of Electric Vehicle X UE Yu?chun1, ZHANG Wei2, WANG Lian?jia1, ZHANG Yi?min 3 (1. School of Science, Northeast Dianli University, Jilin 132012 China; 2. School of Computer Technology, Beihua University, Jilin 132021, China; 3. School of Mechanical Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004 China) Abstract:? It is considered that coupling vibration of drive system with driving motor and drive ?axle of electric vehicle, the model of four ?freedom?degree pendulum vibration is established. The influence of gyroscopic effect, road surface roughness, and switched reluctance motor excitation on electromotor isanalyzed, the rotor ?stator impact?rub phenomenon of electromotor on ve ? hicle caused by electric vehicle vibration is researched, and the relation among gap of rotor ?stator and gyroscopic angle, electro? motor vibration response is presented, and failure model of systems is established, and reliability analysis is researched. Perfect numerical results are obtained. Key words:? electric vehicle; ? drive motor; ? gyroscopic effect; ? coupling vibration; ? impact?rub; ? reliability 收稿日期: 2009?12?23. 基金项目: 国家? 863 计划( 2007AA04Z442), 国家自然科学基金( 50805019) 和东北电力大学博士科研启动基金( BSJXM? 200707) . 作者简介: 薛玉春( 1962?) , 男, 博士, 教授. E?mail: xyuchun2004 yahoo. com. cn 近年来, 作为节能、 环保型电动汽车, 受到了世界各国的普遍关注 1, 2。我国也将电动汽车的开发与研 究列入了? 十五 期间的? 863 计划, 并且近期取得了明显的成绩 3, 4。电机驱动系统是各类电动汽车所共有 的重要组成部分, 所以, 驱动电机的研发及其运行的可靠性也是人们关注的重点之一。电动汽车驱动系统的 结构有别于普通的燃油汽车, 最为典型的是驱动电机与前驱动桥整体式电动汽车结构3。由于路面的不平 度激励和陀螺效应 5, 6的存在, 使驱动电动机与前驱动桥以及转向系统的耦合振动更为复杂和显著, 尤其对 驱动电机的运行可靠性产生较大的影响, 应该对此加以研究和解决。 1 ? 系统模型的建立 1. 1? 振动耦合机理 系统耦合摆振的机理主要为陀螺效应5,6, 如图 1 所示。电动汽车行驶时, 由于路面的不平度激励, 会 使前桥绕汽车纵轴线发生 ?的偏转角速度, 将有陀螺力矩产生, 由于车轮及电机( 转子) 高速旋转, 此力矩使 转向轮绕主销转动, 并使电机转子绕轴承有转动的趋势。同理, 车轮绕主销振动以及电机转子绕轴承振动也 会产生陀螺效应, 反过来影响车桥的振动。当汽车行驶于不平路面, 会导致 ?的偏转角速度, 就有可能引起 系统摆振。将车轮、 电机和车桥在内的全部转向装置的振动总称为汽车转向系统的摆振。 图 1中, 以 y 表示这种横向振动位移; 以 ? !表示右转向轮振动的角位移; 以 ?表示电机转子振动的角位 移; 以 ?表示这种振动的角位移。 1. 2? 系统振动模型 根据电动汽车的驱动电机、 前驱动桥的安装构形, 并依据所研究问题的侧重点, 对振动系统做如下假设: 1) 假设前桥本身的刚度足够大, 其弹性引起的各阶振型可以不予考虑, 将前桥视为刚体。 2) 假设前桥无横向振动, 并略去左右转向轮的摆振对电机的影响。因为电机转子与转向轮没有直接的 振动耦合关系。 3) 假设前轮质量分布均匀, 即忽略车轮动不平衡的影响。 4) 假设前轮轮胎的力学特性简化为一个无质量的弹簧和阻尼。 5) 假设路面不平度对前轮的激励为单轮激励, 即只有左轮( 或右轮) 激励。 基于以上假设, 并参考图 1, 可建立两自由度系统耦合振动模型如图 2所示。模型主要参数表示为: ?为 电机转子绕内侧轴承的角位移; ?为前桥绕汽车纵轴线的角位移; F( t )为路面不平度对前轮的激励; k1为前 轴悬架刚度; c1为前悬架减振器阻尼系数; a 为前桥中心至悬架的距离; b 为前轮轮距; R 为转向轮作用半 径; k2为轮胎的纵向当量刚度; c2为轮胎的纵向当量阻尼。 2 ? 转子振动角位移 ?与路面激励F 及前桥振动角位移 ?的耦合关系 根据前面建立的系统耦合振动模型, 以及陀螺效应的机理, 对于驱动电机的转子, 由图 2(a)可知, 其绕 内侧轴承的角速度 ?与前桥绕汽车纵轴线的角速度 ?存在陀螺效应, 设电机转子绕内侧轴承的转动惯量为 J , 并设其绕自转轴的转速为 n; 转动惯量为 Jn, 则其陀螺力矩为 Mn= Jn2 n?(1) 66 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 武? 汉? 理? 工? 大? 学? 学? 报? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2010 年 5 月 ? ? 故得电机转子角运动 ?的振动微分方程为 J ?- Jn2 n?= 0(2) ? ? 这里, 电机的转子与驱动桥只存在陀螺力矩, 没有弹性和阻尼力矩( 就象转向轮与驱动桥的陀螺作用一 样), 而陀螺力矩中相互直接影响的物理量只是速度与加速度, 所以没有位移量 ?的显示。但是位移的变化 却是存在的。 对于前桥侧倾角运动 ?, 由图 2(b)和图 2(c), 可知轮胎及悬架的弹簧和阻尼产生的恢复力矩为 Ms?= ( 2k1a2+ k2b2/ 2) ?+ (2c1a2+ c2b 2/ 2) ? ?(3) 由 ?导致轮胎侧向力对前桥的力矩为 MR?= 2ky? R 2 + 2cy? R 2 (4) 式中, ky为轮胎的侧向刚度; cy为轮胎的侧向阻尼。 根据陀螺效应的机理, 电机转子会产生陀螺力矩为 Mn?= Jn2 n?(5) 这里, n 为电机转子的转速。 考虑上述所有力矩, 并设前桥对纵轴线的转动惯量为 Jc, 则得前桥绕纵轴线角运动的振动微分方程为 Jc ?+2a2c1+ c2 b2 2 + 2cyR 2 ?- Jn2 n?+2a2k1+ k2 b 2 2 + 2kyR 2 ?= F( t )(6) 将式(2)和式(6)联立, 并用矩阵的形式表示为 M ?+ C?+ K?= F(7) 式中, M、 C 和K 分别为等效质量阵、 等效阻尼阵和等效刚度阵。 根据以上建立的路面激励 F 与前桥绕纵轴的角位移 ?以及电机转子的振动角位移?之间的耦合关系, 可以进一步分析响应量 ?对电机运行可靠性的影响。 3 ? 电机碰磨的可靠性分析 可靠性分析中的一个目标是确定系统的可靠度 Ps= # g( !, ? ) 0f ( Z) dZ (8) 式中, f ( Z)为响应 ?和门槛值!的联合概率密度函数, g( !, ? )为状态函数, 可以表示系统的 2 种状态 g( ! , ?) 0 ? ?为安全状态 (9) 式中, g( !, ? )= 0 为极限状态方程, 代表极限状态表面, 也就是失败面。 根据状态函数的定义, 非线性随机转子系统可靠性分析的首次超限破坏问题定义为 g( ! , ? ) =!- ?(10) ? ? 可以认为响应 ?与门槛值 !是相互独立的随机变量。根据电机 的结构, 其定子与转子的位置关系如图 3 所示, 图 3 中: h 为轴承与转 子的距离; l 为转子的长度; r 为转子半径; 为定、 转子间的气隙长 度; !为电机转子绕轴承的最大偏转角, 即: 电机转子由正常位置偏离 到与定子有摩擦的角度。 这里, 假设电机的轴承对电机的转子没有束缚的作用, 并且在电 机的实际设计中, 由于 ? l, 可将 # ABC 视为直角三角形, 则 BC = ABsin ! 又因为 = BCcos ? ; AB=( h+ l) 2+ r2则 = ABsin !cos != ABsin 2! 2 = ( h + l ) 2+ r2 2 sin 2! 则门槛值 !可表示为 67 第 32卷? 第 10 期? ? ? ? ? 薛玉春, 张? 威, 王连加, 等: 电动汽车驱动电机的碰磨失效研究 ? ? ? ? ? ? ? ? ? != 1 2 arcsin 2 ( h + l) 2+ r2 由于可靠性指标定义为 =%g/ 前桥 对纵 轴线 的转动 惯量 Jc= 30 kg m2; 电机 转子 绕自 转轴 的转 动惯 量 Jn= 0. 016 6 kgm2; 前轴悬架刚度 k1= 18 000 N/ m; 前悬架减振器阻尼系数 c1= 600 Ns/ m; 前轮轮距 b= 1. 414 m; 转向轮作用半径 R= 0. 294 5 m; 轮胎的垂直刚度 k2= 118 000 N/ m; 轮胎的侧向刚度 ky= 118 000 N/ m; 轮胎的垂直阻尼系数 c2= 492. 6 Ns/ m; 轮胎的侧向阻尼系数 cy= 492. 6 Ns/ m; 前桥中心至悬架的 距离 a= 0. 55 m; 电机转速 n= 1 500 r/ min。路面激励: F( t)= 0. 02b k2sin v R t+ v Rc2cos v R tN; 其中, 车 辆行驶的速度 v = 10 m/ s。驱动电机: r = 0. 052 m; l = 0. 18 m; h= 0. 01 m; = 0. 002 m。 对此振动系统应用 Newmark?方法, 并取 = 1/ 4 和 = 1/ 2, 计算出在电动汽车振动时, 驱动电机转子?定子碰磨的可靠度随时 间 t 的变化曲线如图 4所示。 通过计算可以得知, 由于路面的激励以及陀螺效应的存在, 电 机转子与前桥的振动耦合非常明显, 直接影响到电机运行的可靠 性, 直至发生碰磨。 实际的运行当中, 由于转子轴承的束缚, 转子的摆角虽然不够 明显, 但是摆动的趋势是存在的, 这会加剧零部件的磨损。 5 ? 结 ? 语 对于典型的电动机与前驱动桥整体式电动汽车驱动系统。由于陀螺效应( 陀螺力矩) 的存在, 以及路面 的不平度激励和电机激励, 使转向轮、 电动机与前驱动桥的耦合振动更为复杂和显著, 尤其对驱动电机转子 和定子的碰磨产生较大的影响, 车辆在起初的运行当中, 由于转子轴承的束缚, 转子的摆角虽然不够明显, 但是摆动的趋势是存在的, 这 会加剧零部件的磨损, 应该加以解决。 可见对此加以研究和解决可以为