1、前言

世界汽車技術正朝著節能、環保、安全等方向發展，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化提供數據支持。

2、仿真分析說明

內嵌式永磁電機采用轉子沖片內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0.15。進行網格劃分，共劃分32萬節點，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，最小子步數為10，最大子步數為100。

轉子內圈施加固定約束，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，發生在沖片中間較狹窄位置，，最大位移為0.0028mm，發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，位移越大的規律，最大為0.0028mm。在磁鋼與沖片相交的拐角處，出現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，并應用于后續的電機產品開發過程中。通過實現仿真與設計同步工程，使CAE工作在概念設計階段介入，盡早發現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。