1、前言

世界汽車技術正朝著節(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量成正比，因此，要想減少不必要的能量消耗，應在保證安全的前提下盡量減輕汽車自身質量。對于電動汽車來說，電池、電機和車身結構件所占整車質量的比例較高，從電池、電機和車身結構入手減輕質量，對電動汽車整車的輕量化效果十分顯著。

本文將介紹針對驅動電機轉子進行結構接觸非線性分析，在保證結構強度滿足設計要求的前提下，為下一步的轉子結構形狀優(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載力矩擾動。在電機高速運轉時，電機轉子結構主要承受離心力、電磁力和永磁體吸引力的作用，研究結果表明，離心力是影響電機轉子結構強度的主要因素。本文在進行電機轉子結構強度分析時，主要考慮電機轉子在離心力作用下的結構強度。電機轉子幾何模型如下圖1所示。

3、模型前處理

在SCDM中建立轉子沖片與磁鋼模型，轉子外徑100mm，磁鋼數(shù)量12個。轉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、求解設置及邊界條件

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

轉子內(nèi)圈施加固定約束，轉子與磁鋼兩側面施加無摩擦約束，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 計算結果分析

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

轉子沖片與磁鋼片主要接觸位置為沖片外側，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力，最大應力為64MPa，這個連接部位較窄，剛度較弱。另外，在轉子沖片開孔的凸臺處，顯然存在應力集中。

6、結論

從上圖可以看到，通過以上的非線性分析，可以得到的結論為：

1) 在1200rad/s的轉速下，離心力引起的轉子變形和應力不會造成結構的破壞；

2) 相鄰磁鋼連接處的部位為結構的脆弱部位，可考慮適當增大此處的寬度。

轉子強度分析是進行優(yōu)化設計的基礎，在保證足夠的強度下，才有進一步進行結構優(yōu)化的空間。

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