朱鄭喬若，金鑫君

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000）

轉(zhuǎn)子總成是新能源汽車電機(jī)的核心零件，電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)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(dòng)力驅(qū)使減速器，對(duì)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)是滿足機(jī)械，強(qiáng)度，剛度方面的極限要求［1-2］，能夠保證在電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能穩(wěn)定的工作，振動(dòng)小，不被破壞；同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子受到強(qiáng)大的離心力作用，使得電機(jī)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

隨著計(jì)算機(jī)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(yīng)用，利用已有的軟件對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行理論計(jì)算和強(qiáng)度分析［4-5］，縮短研發(fā)周期，并給設(shè)計(jì)人員提供了有力的依據(jù)。

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

1 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

對(duì)于高速永磁電機(jī)而言，轉(zhuǎn)子需要滿足機(jī)械強(qiáng)度要求，由于轉(zhuǎn)子離心力大小與電機(jī)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(qiáng)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(chǎng)的前提下盡可能的減小轉(zhuǎn)子的半徑。經(jīng)過初步方案設(shè)計(jì)，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(chǔ)做深入研究。通過有限元仿真進(jìn)行分析，如圖1所示電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

2 電機(jī)軸強(qiáng)度仿真

圖2為電機(jī)軸三維數(shù)模，電機(jī)軸材料為20CrMnTi，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.289，剪切強(qiáng)度為460～512 MPa。仿真分析工況根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工況1對(duì)電機(jī)軸施加350 Nm的轉(zhuǎn)矩仿真，工況2對(duì)電機(jī)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(jī)軸三維數(shù)模

2.1 電機(jī)軸建模過程

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

圖3 電機(jī)軸網(wǎng)格模型

2.2 電機(jī)軸分析結(jié)果

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，工況1分析結(jié)果中電機(jī)軸的最大剪切應(yīng)力不應(yīng)該超過材料的剪切強(qiáng)度并且安全系數(shù)應(yīng)該大于1.5；根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)相關(guān)規(guī)定，工況2分析的結(jié)果中電機(jī)軸的撓度應(yīng)該小于氣隙的0.1。如圖4，5為工況1和2的應(yīng)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(jī)軸的最大剪切應(yīng)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(jī)軸的最大形變量為5.4×10-4mm，遠(yuǎn)小于判斷標(biāo)準(zhǔn)的0.07 mm，如表2所示。

表2 工況2分析結(jié)果

電機(jī)軸的強(qiáng)度仿真結(jié)果誤差控制在10%以內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求，驗(yàn)證電機(jī)軸的設(shè)計(jì)滿足工作要求。

3 轉(zhuǎn)子鐵芯強(qiáng)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(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯進(jìn)行強(qiáng)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(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯的離心力作用，將工況設(shè)置為15000rmp和15000rmp×1.2。

3.1 轉(zhuǎn)子鐵芯建模過程

考慮模型的計(jì)算速度問題，模型采用1/2進(jìn)行建模計(jì)算，添加磁鋼高速情況下對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯的離心作用，將轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)圈進(jìn)行固定，并對(duì)關(guān)注區(qū)的位置進(jìn)行細(xì)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(qiáng)度600MPa高強(qiáng)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(qiáng)度分析

轉(zhuǎn)子總成各個(gè)零部件的強(qiáng)度仿真結(jié)果滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，之后需要對(duì)轉(zhuǎn)子總成的強(qiáng)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(jī)軸與轉(zhuǎn)子沖片均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可以采用1/4模型進(jìn)行仿真分析，如圖9所示，電機(jī)軸與轉(zhuǎn)子均采用一階六面體單元C3D8進(jìn)行網(wǎng)格劃分，電機(jī)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(jìn)行仿真，在對(duì)稱面上分別施加對(duì)稱約束，并對(duì)電機(jī)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(shè)置

4.2 轉(zhuǎn)子總成仿真分析

電機(jī)軸與轉(zhuǎn)子沖片在單邊初始過盈量為0.012mm作用下的應(yīng)力云圖和表面接觸應(yīng)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(jī)軸與轉(zhuǎn)子過盈量0.012 mm作用下，電機(jī)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(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

通過對(duì)新能源汽車高速電機(jī)轉(zhuǎn)子總成的強(qiáng)度分析，驗(yàn)證轉(zhuǎn)子總成結(jié)構(gòu)的合理性。采用NX軟件對(duì)轉(zhuǎn)子總成的三維建模，考慮到轉(zhuǎn)子總成由電機(jī)軸和轉(zhuǎn)子沖片組合，利用ANASY軟件對(duì)轉(zhuǎn)子總成的各個(gè)零部件強(qiáng)度分析，最后對(duì)轉(zhuǎn)子總成進(jìn)行強(qiáng)度分析，最終驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。