朱鄭喬若，金鑫君

（衢州職業(yè)技術(shù)學院，浙江 衢州 324000）

轉(zhuǎn)子總成是新能源汽車電機的核心零件，電機結(jié)構(gòu)的復雜性主要取決于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的多樣性。在高速旋轉(zhuǎn)下的轉(zhuǎn)子，提供足夠的動力驅(qū)使減速器，對轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)是滿足機械，強度，剛度方面的極限要求［1-2］，能夠保證在電機在高速運轉(zhuǎn)時能穩(wěn)定的工作，振動小，不被破壞；同時高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子受到強大的離心力作用，使得電機軸和轉(zhuǎn)子沖片發(fā)生形變，呈現(xiàn)非線性接觸［3］，為此必須要對電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機械強度進行計算。

隨著計算機水平的不斷提高，有限元理論的深入研究。NX、ANSYS、ABQUS等三維建模和有限元軟件在汽車工程領(lǐng)域得到廣泛的應用，利用已有的軟件對電機轉(zhuǎn)子進行理論計算和強度分析［4-5］，縮短研發(fā)周期，并給設計人員提供了有力的依據(jù)。

以某新能源汽車電機轉(zhuǎn)子為研究對象，在15000 rmp、轉(zhuǎn)矩350 Nm作用下，建立電機轉(zhuǎn)子受力計算模型，計算電機軸的最大剪切應力、撓度、強度以及安全系數(shù)；電機軸與轉(zhuǎn)子的接觸應力計算。借助有限元的方法完成上述仿真分析。

1 電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

對于高速永磁電機而言，轉(zhuǎn)子需要滿足機械強度要求，由于轉(zhuǎn)子離心力大小與電機轉(zhuǎn)速的平方成正比，轉(zhuǎn)子半徑的平方成正比，因此在15000 rmp高轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子承受強大的離心力作用，為了減小離心力的作用在滿足旋轉(zhuǎn)磁場的前提下盡可能的減小轉(zhuǎn)子的半徑。經(jīng)過初步方案設計，轉(zhuǎn)子沖片采用硅鋼，轉(zhuǎn)子外圈半徑為135 mm，轉(zhuǎn)子沖片總高度為140 mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速15000 rmp，轉(zhuǎn)矩 350 Nm，重量 15 kg，加速度為10 g。以此為基礎做深入研究。通過有限元仿真進行分析，如圖1所示電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

2 電機軸強度仿真

圖2為電機軸三維數(shù)模，電機軸材料為20CrMnTi，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.289，剪切強度為460～512 MPa。仿真分析工況根據(jù)設計要求，工況1對電機軸施加350 Nm的轉(zhuǎn)矩仿真，工況2對電機軸的偏心質(zhì)量在15000 rmp轉(zhuǎn)速下受到離心力以及轉(zhuǎn)子質(zhì)量在10 g加速度共同作用下的撓度分析。

圖1 轉(zhuǎn)子總成結(jié)構(gòu)

圖2 電機軸三維數(shù)模

2.1 電機軸建模過程

圖3為電機軸網(wǎng)格模型，電機軸采用一階六面體單元C3D8進行網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格尺寸為2mm。

圖3 電機軸網(wǎng)格模型

2.2 電機軸分析結(jié)果

根據(jù)第四強度理論，工況1分析結(jié)果中電機軸的最大剪切應力不應該超過材料的剪切強度并且安全系數(shù)應該大于1.5；根據(jù)機械設計手冊相關(guān)規(guī)定，工況2分析的結(jié)果中電機軸的撓度應該小于氣隙的0.1。如圖4，5為工況1和2的應力和位移云圖。

圖4 工況1仿真分析

根據(jù)工況1的分析結(jié)果，再轉(zhuǎn)矩350Nm作用下，電機軸的最大剪切應力為180MPa，安全系數(shù)為2.56～2.84之間，如表1所示。

表1 工況1分析結(jié)果

圖5 工況2仿真分析

根據(jù)工況2的分析結(jié)果，在偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心力和轉(zhuǎn)子質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力共同作用下電機軸的最大形變量為5.4×10-4mm，遠小于判斷標準的0.07 mm，如表2所示。

表2 工況2分析結(jié)果

電機軸的強度仿真結(jié)果誤差控制在10%以內(nèi)，滿足強度要求，驗證電機軸的設計滿足工作要求。

3 轉(zhuǎn)子鐵芯強度仿真

在高速旋轉(zhuǎn)下，考慮轉(zhuǎn)子沖片受到較大的離心力作用，需要對轉(zhuǎn)子鐵芯進行強度仿真分析，轉(zhuǎn)子鐵芯如圖6所示：

圖6 轉(zhuǎn)子鐵芯沖片模型

考慮高速情況下，對轉(zhuǎn)子鐵芯的離心力作用，將工況設置為15000rmp和15000rmp×1.2。

3.1 轉(zhuǎn)子鐵芯建模過程

考慮模型的計算速度問題，模型采用1/2進行建模計算，添加磁鋼高速情況下對轉(zhuǎn)子鐵芯的離心作用，將轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)圈進行固定，并對關(guān)注區(qū)的位置進行細化。網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分

3.2 轉(zhuǎn)子鐵芯分析結(jié)果

轉(zhuǎn)子鐵芯采用的材料為屈服強度600MPa高強度材料，極限轉(zhuǎn)速為15000rmp和18000rmp。轉(zhuǎn)子鐵芯的仿真分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)子鐵芯仿真分析結(jié)果

根據(jù)仿真分析結(jié)果，在15000rmp和18000rmp工況下，安全系數(shù)分別為1.87和1.3，滿足工作要求，如表3所示。

表3 分析結(jié)果

4 轉(zhuǎn)子總成強度分析

轉(zhuǎn)子總成各個零部件的強度仿真結(jié)果滿足機械設計要求，之后需要對轉(zhuǎn)子總成的強度分析。材料相關(guān)屬性如表4所示。

表4 材料相關(guān)屬性

4.1 轉(zhuǎn)子總成有限元建模

由于電機軸與轉(zhuǎn)子沖片均為對稱結(jié)構(gòu)，因此可以采用1/4模型進行仿真分析，如圖9所示，電機軸與轉(zhuǎn)子均采用一階六面體單元C3D8進行網(wǎng)格劃分，電機軸為2mm，轉(zhuǎn)子沖片的網(wǎng)格尺寸為1mm。

圖9 轉(zhuǎn)子網(wǎng)格模型

采用1/4模型進行仿真，在對稱面上分別施加對稱約束，并對電機軸與轉(zhuǎn)子沖片施加軸向位移約束，如圖10所示。

圖10 邊界條件設置

4.2 轉(zhuǎn)子總成仿真分析

電機軸與轉(zhuǎn)子沖片在單邊初始過盈量為0.012mm作用下的應力云圖和表面接觸應力如圖11所示：

圖11 轉(zhuǎn)子總成仿真分析結(jié)果

根據(jù)仿真分析結(jié)果，在電機軸與轉(zhuǎn)子過盈量0.012 mm作用下，電機軸與轉(zhuǎn)子沖片之間所傳遞的最大扭矩590 Nm，按照轉(zhuǎn)矩350 Nm作為依據(jù)，其安全系數(shù)為1.68，分析結(jié)果如表5所示。

表5 分析結(jié)果

由分析結(jié)果安全系數(shù)滿足設計要求。

5 結(jié)語

通過對新能源汽車高速電機轉(zhuǎn)子總成的強度分析，驗證轉(zhuǎn)子總成結(jié)構(gòu)的合理性。采用NX軟件對轉(zhuǎn)子總成的三維建模，考慮到轉(zhuǎn)子總成由電機軸和轉(zhuǎn)子沖片組合，利用ANASY軟件對轉(zhuǎn)子總成的各個零部件強度分析，最后對轉(zhuǎn)子總成進行強度分析，最終驗證設計方案的合理性。