電機(jī)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(dòng)汽車來說，電池、電機(jī)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(jī)和車身結(jié)構(gòu)入手減輕質(zhì)量，對電動(dòng)汽車整車的輕量化效果十分顯著。

本文將介紹針對驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)接觸非線性分析，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)反電動(dòng)勢波形得到優(yōu)化，而且有效的抑制了電機(jī)齒槽力矩和負(fù)載力矩?cái)_動(dòng)。在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素。本文在進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，主要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子在離心力作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。電機(jī)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(gè)。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(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分32萬節(jié)點(diǎn)，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(dòng)時(shí)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(gè)模型施加角速度1200rad/s。

5、計(jì)算過程及結(jié)果

5.1 計(jì)算過程

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

5.2 計(jì)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(yùn)動(dòng)的趨勢。

離心力使磁鋼向外運(yùn)動(dòng)到與沖片緊密相連，除局部外，整體遵循離軸線越遠(yuǎn)，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(gè)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(qiáng)度分析是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在保證足夠的強(qiáng)度下，才有進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間。

本文形成的電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，能有效的指導(dǎo)電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)工作，并應(yīng)用于后續(xù)的電機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程中。通過實(shí)現(xiàn)仿真與設(shè)計(jì)同步工程，使CAE工作在概念設(shè)計(jì)階段介入，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以將設(shè)計(jì)問題降至最低，提高設(shè)計(jì)的可靠性和設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期。