電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的接觸非線性分析

1、前言

世界汽車技術(shù)正朝著節(jié)能、環(huán)保、安全等方向發(fā)展，汽車的能量消耗與汽車自身質(zhì)量成正比，因此，要想減少不必要的能量消耗，應(yīng)在保證安全的前提下盡量減輕汽車自身質(zhì)量。對于電動汽車來說，電池、電機和車身結(jié)構(gòu)件所占整車質(zhì)量的比例較高，從電池、電機和車身結(jié)構(gòu)入手減輕質(zhì)量，對電動汽車整車的輕量化效果十分顯著。

本文將介紹針對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子進行結(jié)構(gòu)接觸非線性分析，在保證結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求的前提下，為下一步的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

2、仿真分析說明

內(nèi)嵌式永磁電機采用轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)嵌磁鋼塊且磁極表面對稱分布的方式，不僅使電機反電動勢波形得到優(yōu)化，而且有效的抑制了電機齒槽力矩和負(fù)載力矩擾動。在電機高速運轉(zhuǎn)時，電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要承受離心力、電磁力和永磁體吸引力的作用，研究結(jié)果表明，離心力是影響電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度的主要因素。本文在進行電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度分析時，主要考慮電機轉(zhuǎn)子在離心力作用下的結(jié)構(gòu)強度。電機轉(zhuǎn)子幾何模型如下圖1所示。

3、模型前處理

在SCDM中建立轉(zhuǎn)子沖片與磁鋼模型，轉(zhuǎn)子外徑100mm，磁鋼數(shù)量12個。轉(zhuǎn)子沖片與磁鋼之間建立接觸對，工12對。定義為摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.15。進行網(wǎng)格劃分，共劃分32萬節(jié)點，6.4萬單元。

4、求解設(shè)置及邊界條件

求解設(shè)置中，打開自動時間步長功能，載荷步設(shè)置為1s，初始子步設(shè)為50，最小子步數(shù)為10，最大子步數(shù)為100。

轉(zhuǎn)子內(nèi)圈施加固定約束，轉(zhuǎn)子與磁鋼兩側(cè)面施加無摩擦約束，整個模型施加角速度1200rad/s。

5、計算過程及結(jié)果

5.1 計算過程

由于計算中存在接觸非線性，所以計算過程需要進行迭代求解，計算過程曲線如下圖所示。

5.2 計算結(jié)果分析

轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力64MPa，發(fā)生在沖片中間較狹窄位置，，最大位移為0.0028mm，發(fā)生在轉(zhuǎn)子接觸位置的最外側(cè)。

轉(zhuǎn)子沖片與磁鋼片主要接觸位置為沖片外側(cè)，以及凸臺位置。這是由于磁鋼受離心力的影響，有向外運動的趨勢。

離心力使磁鋼向外運動到與沖片緊密相連，除局部外，整體遵循離軸線越遠，位移越大的規(guī)律，最大為0.0028mm。在磁鋼與沖片相交的拐角處，出現(xiàn)了相對較大的局部應(yīng)力，最大應(yīng)力為64MPa，這個連接部位較窄，剛度較弱。另外，在轉(zhuǎn)子沖片開孔的凸臺處，顯然存在應(yīng)力集中。

6、結(jié)論

從上圖可以看到，通過以上的非線性分析，可以得到的結(jié)論為：

1) 在1200rad/s的轉(zhuǎn)速下，離心力引起的轉(zhuǎn)子變形和應(yīng)力不會造成結(jié)構(gòu)的破壞；

2) 相鄰磁鋼連接處的部位為結(jié)構(gòu)的脆弱部位，可考慮適當(dāng)增大此處的寬度。

轉(zhuǎn)子強度分析是進行優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)，在保證足夠的強度下，才有進一步進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間。

本文形成的電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度分析方法，能有效的指導(dǎo)電機轉(zhuǎn)子的設(shè)計工作，并應(yīng)用于后續(xù)的電機產(chǎn)品開發(fā)過程中。通過實現(xiàn)仿真與設(shè)計同步工程，使CAE工作在概念設(shè)計階段介入，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并及時進行結(jié)構(gòu)改進，可以將設(shè)計問題降至最低，提高設(shè)計的可靠性和設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期。