新能源汽車高速電機轉子總成強度分析

朱鄭喬若，金鑫君

（衢州職業技術學院，浙江 衢州 324000）

轉子總成是新能源汽車電機的核心零件，電機結構的復雜性主要取決于轉子結構的多樣性。在高速旋轉下的轉子，提供足夠的動力驅使減速器，對轉子的結構是滿足機械，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時能穩定的工作，振動小，不被破壞；同時高速旋轉，轉子受到強大的離心力作用，使得電機軸和轉子沖片發生形變，呈現非線性接觸［3］，為此必須要對電機轉子結構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域得到廣泛的應用，利用已有的軟件對電機轉子進行理論計算和強度分析［4-5］，縮短研發周期，并給設計人員提供了有力的依據。

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

1 電機轉子結構

對于高速永磁電機而言，轉子需要滿足機械強度要求，由于轉子離心力大小與電機轉速的平方成正比，轉子半徑的平方成正比，因此在15000 rmp高轉速下，轉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磁場的前提下盡可能的減小轉子的半徑。經過初步方案設計，轉子沖片采用硅鋼，轉子外圈半徑為135 mm，轉子沖片總高度為140 mm，轉子轉速15000 rmp，轉矩 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所示電機轉子結構。

2 電機軸強度仿真

圖2為電機軸三維數模，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。仿真分析工況根據設計要求，工況1對電機軸施加350 Nm的轉矩仿真，工況2對電機軸的偏心質量在15000 rmp轉速下受到離心力以及轉子質量在10 g加速度共同作用下的撓度分析。

圖1 轉子總成結構

圖2 電機軸三維數模

2.1 電機軸建模過程

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

圖3 電機軸網格模型

2.2 電機軸分析結果

根據第四強度理論，工況1分析結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應該大于1.5；根據機械設計手冊相關規定，工況2分析的結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

根據工況1的分析結果，再轉矩350Nm作用下，電機軸的最大剪切應力為180MPa，安全系數為2.56～2.84之間，如表1所示。

表1 工況1分析結果

圖5 工況2仿真分析

根據工況2的分析結果，在偏心質量產生的離心力和轉子質量產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分析結果

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

3 轉子鐵芯強度仿真

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

圖6 轉子鐵芯沖片模型

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

3.1 轉子鐵芯建模過程

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子鐵芯的離心作用，將轉子鐵芯內圈進行固定，并對關注區的位置進行細化。網格劃分如圖7所示。

圖7 網格劃分

3.2 轉子鐵芯分析結果

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

圖8 轉子鐵芯仿真分析結果

根據仿真分析結果，在15000rmp和18000rmp工況下，安全系數分別為1.87和1.3，滿足工作要求，如表3所示。

表3 分析結果

4 轉子總成強度分析

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

表4 材料相關屬性

4.1 轉子總成有限元建模

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

圖9 轉子網格模型

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 轉子總成仿真分析

電機軸與轉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 轉子總成仿真分析結果

根據仿真分析結果，在電機軸與轉子過盈量0.012 mm作用下，電機軸與轉子沖片之間所傳遞的最大扭矩590 Nm，按照轉矩350 Nm作為依據，其安全系數為1.68，分析結果如表5所示。

表5 分析結果

由分析結果安全系數滿足設計要求。

5 結語

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