案例 | 离心力作用下电机转子强度仿真分析

安世亚太 2022-12-15

在电机结构中，需要转子冲片上开孔来嵌入磁钢。转子正常运行时，处于高速旋转的状态。此时，冲片和磁钢都会受到离心力的作用。转速越高，离心力越大。当冲片上的开孔较多较大时，孔之间的间隙就会比较小。在较大的离心力的作用下，冲片体脆弱部分的强度可能不足，其变形也可能会影响转子冲片的正常工作。为考察转子冲片的强度和刚度性能，采用有限元分析软件ansys mechanical模块进行仿真，分析在最大800rad/s的转速下，转子冲片的应力和变形分布，以及最大应力和变形随转速增加的变化规律。

仿真过程

转子冲片由冲片体和嵌入冲片体中的磁钢组成，其几何模型如下：

冲片上一共均匀嵌入了12块磁钢，分为6组，每组均呈“八”字形分布。磁钢与冲片的大部分都是紧密接触在一起，只是在靠近外环时，各开有一个小孔。同时，为了防止在转子转动时的冲片运动，在开孔处，采用了一个小的凸台。

从磁钢和冲片的装配来看，磁钢是嵌入进冲片的。为了准确的反映这种装配关系，在每个磁钢与冲片可能发生接触的区域，设置了摩擦接触，摩擦系数设为0.15，接触算法采用Augmented Lagrange。

从真实情况来看，转子及冲片在正常工作状态下是在旋转的。为了尽量与实际情况相符，对冲片的内圈的圆柱面施加了固定边界条件。同时，在整个结构的两个侧面施加了无摩擦约束，将两个侧面的运动限制在了侧面所在的平面内。

在计算分析时，为预防出现较大的变形，打开了大变形开关。由于摩擦接触和大变形效应都是非线性过程，因此在分析时，在每个载荷步中，都选用了自动时间步长，并设置计算时的初始载荷子步数为50，最小载荷子步数为10，最大载荷子步数为100。

仿真结果

离心力使磁钢向外运动到与冲片紧密相连，除局部外，整体遵循离轴线越远，位移越大的规律，最大为0.004mm。在磁钢与冲片相交的拐角处，出现了相对较大的局部应力，最大应力为57.6MPa。这个连接部位较窄，最窄处只有2.5mm。另外，在转子冲片开孔的凸台处，显然存在应力集中。

正如前面在定义磁钢与转子冲片的接触时所说，由于离心力的影响，磁钢与转子冲片的接触状态和区域会发生变化。下面接触状态的云图说明了这一点：

从上图可以看到，由于离心力引起变形的影响，最终磁钢与转子冲片的接触仅仅只在凸台与磁钢的部位是牢牢接触上的，其他部位相隔很近或处于滑移状态。

从接触的压力图上，也能很明显的看到，磁钢与转子冲片牢牢接触的部位仅限于凸台处，其他部位的接触压力均为零。