手把手教您从建模到仿真计算优化改进新能源汽车电驱动系统转子冲片强度

导读：新能源汽车电驱动系统的主驱电机，正在向高功率密度、高扭矩密度、高效率、低成本、低损耗、轻量化、小型化、集成化、系列化等方向发展。这给各大零部件供应商，提出了一个又一个的新问题和新挑战。

为了降低结构尺寸、重量、原材料成本，以及为了提高功率密度和扭矩密度等，新能源车驱动电机转子的极限转速，从几年前的5000RPM~8000RPM，逐渐提高到12000RPM~17000RPM。部分产品在实验室中，跑出了20000RPM甚至更高的性能。高速化的好处良多，但也给冲片结构强度设计，提出了越来越高的要求。

一、前言

由于新能源汽车主驱电机，绝大多数供应商采用了内镶式永磁同步电机设计，即永磁同步电机(Permanent Magnet Sychronous Motor,PMSM)。

本文以ANSYS软件官方案例中的某永磁电机模型为例，分享一些其在冲片强度设计中的几个常见问题和解决方案。

下图为2002、2004、2010、2017款普锐斯电机转速发展历程。

图-1 四代普锐斯转子转速的演进历程

作为行业标杆，这四代普锐斯电机的极限转速，从6000RPM一路飙升到17000RPM，转子外径，从2004版的161.8mm减少到140.5mm。若换算成转子外圈线速度的话，从2004版的约50m/s，增加到2010版的约110m/s，再到2017款更进一步提升到约143m/s。从强度设计角度审视，达到了业内的顶尖水平。

由于离心力为线速度的平方关系，在十几年间，冲片的离心力作用增加了7倍。我们知道，机械产品的性能每提升百分之几十，都是一个巨大的进步，若要提升数倍性能，则必然需要超常规的手法与努力。

如此独门绝技，都是如何历练而成的呢？很遗憾这属于丰田公司的核心机密，没有人会完完全全的示与大众。通过仿真技术，我们可以却较为方便准确的窥探，掩盖在技术封锁铁幕下的秘密，隔空预判友商的产品性能，并汲取经验技巧。

1、考虑高转速离心力的计算方法；

2、考虑转子轴与冲片过盈配合内应力的计算方法；

3、同时考虑离心力与过盈配合的计算方法；

4、转子冲片离心力与过盈配合内应力，对模态频率的影响；

5、转子爆裂转速工况下，考虑塑性材料的计算方法；

6、转子冲片与轴过盈配合处，极限失效扭矩及最大压装力的计算方法；

7、磁钢与转子冲片磁钢孔间，不同连接关系设置，对冲片应力的影响；

8、网格密度及质量，对冲片应力的影响；

9、减重孔、应力释放槽、几何形状过渡设计等，对冲片应力的影响；

10、磁钢温度对冲片应力的影响；

11、转轴直径变化及考虑过盈配合内应力，对冲片应力的影响；

12、电磁脉动力对转子应力的影响；

13、转子冲片与转轴平键连接处剪切应力评定方式；

14、通过子结构技术，节约计算量的方法；

15、依靠子模型技术，快速调整局部结构的计算方法；

16、将受力变形后有限元模型，重构为几何模型的处理方法；

二、考虑高转速离心力的计算方法

本文所用的主要分析模型，源于ANSYS软件的官方案例，如下图所示。部分案例也会采用其他模型进行演示。

下面我将重点介绍，考虑高转速离心力的计算方法。

您将学到技能：

1、借助三维机械设计软件Solid Works，建立适合仿真的薄片状几何模型；

2、采用Workbench环境的静力学分析模块，加载转速荷载，进行静强度仿真。

离心力，是高速电机转子冲片受到的一种比较主要的外载形式。本节以静力学分析模块，通过加载惯性荷载方式，进行演示与计算。

由于离心力为径向力，转子的轴向长度基本不影响结果，可以采用2D平面模型或薄片状3D模型进行计算。本文采用后者，可适当节约计算量。

采用3D模型的另一个原因是通过平面模型，不方便加载由于转子与冲片过盈配合引起的内应力效应。为方便后续案例演示，直接建立3D模型更为方便。

利用Solid Works软件，对ANSYS官方案例模型，进行切割操作，以将完整转子切割为1mm轴向长度的薄片。如图-3所示。

图-3 切割为薄片模型

切割后的冲片模型如下。其未保留磁钢和转轴等零件，需单独绘制。如图-4所示。

为减少铁损，新能源汽车用转子冲片，一般采用0.3mm左右厚的冷轧硅钢材质。冲片组装为转子后，各片间的轴向方向一般主要采用自粘胶、自铆、焊接等方式进行固定，并适当依靠磁钢槽内胶水进行固定。由于转子冲片在运行中，轴向受力（电磁不平衡力、外部轴向推力等）基本可以忽略，采用1mm薄片模型，可简化的代表实际。

图-4 切割后的冲片模型

由于切割为薄片时，尚未保留磁钢等模型，为方便修改，对360°圆周冲片模型，借助Solid Works软件，利用草图切割为1/8扇形局部。如图-5所示。

与电磁分析类似，强度计算时，为节约计算量，也可以只计算最小对称区域的扇形模型。并进行适当添加倒角，绘制磁钢模型等操作。对于本文为1/8模型。

由于离心力的存在，本转子冲片，被径向隔磁桥与轴向隔磁桥，分割为4组近似U形的外圈与靠近转轴一侧的内圈组成。这两类隔磁桥，主要承担了外圈U形冲片、磁钢、磁钢胶水等引起的离心力作用。

在尺寸、转速、材料等一定情况下，转子磁钢外圈U形区域的面积，既质量越小，各个隔磁桥处受到的总离心力越小。相对而言，更有利于进行高速运行。

实际进行性能开发工作时，应充分与电磁性能设计人员进行沟通交流，选取较为合适的总体拓扑结构，而后再进行细节的强度仿真设计。

如转子采用油冷或风冷等强化传热设计，还应与散热性能设计人员充分交流，以选择较为全面合理的综合结构与性能。

对于应力分析而言，隔磁桥附近为关键受力位置。应尽量详细的保证该处附近的尺寸与形状，不发生激烈变化，尤其应避免尖锐直角等形状。在形状和截面明显改变处，如隔磁桥两侧根部，应采用复杂曲线、圆弧等平滑过渡形式，以保证离心力传递路径平顺连续，从而降低应力。适当时，还应采用各种缓解及释放应力的结构设计。

另外，为尽量避免传力路径的突变，隔磁桥根部附近形状过渡形式，应尽量采取“外凸”状设计，如向外倒角等，尽量避免“内凹”状设计，如开槽开孔等。但专用于缓解应力的应力释放孔等设计除外。

图-5 切割模型

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