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电机转子结构的接触非线性分析
李鸿洋
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1、前言
世界汽车技术正朝着节能、环保、安全等方向发展，汽车的能量消耗与汽车自身质量成正比，因此，要想减少不必要的能量消耗，应在保证安全的前提下尽量减轻汽车自身质量。对于电动汽车来说，电池、电机和车身结构件所占整车质量的比例较高，从电池、电机和车身结构入手减轻质量，对电动汽车整车的轻量化效果十分显著。
本文将介绍针对驱动电机转子进行结构接触非线性分析，在保证结构强度满足设计要求的前提下，为下一步的转子结构形状优化提供数据支持。
2、仿真分析说明
内嵌式永磁电机采用转子冲片内嵌磁钢块且磁极表面对称分布的方式，不仅使电机反电动势波形得到优化，而且有效的抑制了电机齿槽力矩和负载力矩扰动。在电机高速运转时，电机转子结构主要承受离心力、电磁力和永磁体吸引力的作用，研究结果表明，离心力是影响电机转子结构强度的主要因素。本文在进行电机转子结构强度分析时，主要考虑电机转子在离心力作用下的结构强度。电机转子几何模型如下图1所示。
3、模型前处理
在SCDM中建立转子冲片与磁钢模型，转子外径100mm，磁钢数量12个。转子冲片与磁钢之间建立接触对，工12对。定义为摩擦接触，摩擦系数0.15。进行网格划分，共划分32万节点，6.4万单元。
4、求解设置及边界条件
求解设置中，打开自动时间步长功能，载荷步设置为1s，初始子步设为50，最小子步数为10，最大子步数为100。
转子内圈施加固定约束，转子与磁钢两侧面施加无摩擦约束，整个模型施加角速度1200rad/s。
5、计算过程及结果
5.1 计算过程
由于计算中存在接触非线性，所以计算过程需要进行迭代求解，计算过程曲线如下图所示。
5.2 计算结果分析
转子最大应力64MPa，发生在冲片中间较狭窄位置，，最大位移为0.0028mm，发生在转子接触位置的最外侧。
转子冲片与磁钢片主要接触位置为冲片外侧，以及凸台位置。这是由于磁钢受离心力的影响，有向外运动的趋势。
离心力使磁钢向外运动到与冲片紧密相连，除局部外，整体遵循离轴线越远，位移越大的规律，最大为0.0028mm。在磁钢与冲片相交的拐角处，出现了相对较大的局部应力，最大应力为64MPa，这个连接部位较窄，刚度较弱。另外，在转子冲片开孔的凸台处，显然存在应力集中。
6、结论
从上图可以看到，通过以上的非线性分析，可以得到的结论为：
1) 在1200rad/s的转速下，离心力引起的转子变形和应力不会造成结构的破坏；
2) 相邻磁钢连接处的部位为结构的脆弱部位，可考虑适当增大此处的宽度。
转子强度分析是进行优化设计的基础，在保证足够的强度下，才有进一步进行结构优化的空间。
本文形成的电机转子的结构强度分析方法，能有效的指导电机转子的设计工作，并应用于后续的电机产品开发过程中。通过实现仿真与设计同步工程，使CAE工作在概念设计阶段介入，尽早发现设计缺陷并及时进行结构改进，可以将设计问题降至最低，提高设计的可靠性和设计质量，缩短设计周期。
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