高速电机转子冲片的强度设计（三）——考虑过盈配合与离心力的计算方法.docxVIP

1???同时考虑离心力与过盈配合的计算方法

本节主要技能点：

（1）介绍同时考虑转速离心力荷载与过盈配合效应下，转子冲片内应力计算方法及强度优化思路。

（2）分别计算不同转速及过盈量，以查看其对冲片内应力的影响规律。

（3）同时计算不同转速及过盈量下，转子冲片内应力的影响规律，并探索不同转速与过盈配合组合下，冲片强度性能的极限范围。

本文第一节中，已经建立了简化模型，并加载转速离心力荷载，简单的计算了永磁电机转子冲片在离心力下，隔磁桥附近高应力区域的受力关系；在第二节的前半部分，通过摩擦接触算法中的接触调整方式，模拟出考虑过盈配合效应后，对硅钢片的受力作用。

作为第二节的下半部分，分别计算不同转速离心力及过盈量下，对转子冲片内应力影响的基本趋势。并将两者外载组合，共同计算叠加后的应力分布趋势，并试图在强度及保证接触可靠的基础上，找到转子可用的最大合理转速及过盈量范围。

在之前的案例中，已经介绍过，转速离心力作用下，主要为径向隔磁桥的径向拉伸，以及外圈隔磁桥的径向弯曲作用；而过盈配合作用下，主要为环向拉伸，并且主要影响靠近内圈一侧的径向隔磁桥底部附近的应力分布。

一般而言，多个转速的离心力效应的加载，可以通过多个荷载步的方法实现；多个过盈配合尺寸，暂时只能纯手工的复制多组计算文件，并分别设置过盈量计算。

当考虑离心力时，一般在径向隔磁桥，受纯拉伸作用，其上下的根部附近截面形状突变位置，存在以拉应力为主的失效模式。对于径向隔磁桥中部，一般采用增大宽度的方法；对于隔磁桥的上下截面突变处，一般可使用圆滑过渡等形式。

对于外圈隔磁桥，其承担弯曲应力，一般在内表面受拉伸作用，外表面挤压。拉伸作用一般是强度失效的主要形式，改进时可适当将应力集中区域平滑过渡，减少外圈隔磁桥环向长度，增加其径向宽度及适当减少临近结构刚度等方法。

那么问题来了，当离心力与过盈配合组合起来，会产生什么样的效果呢？

其一般会将以上两者的应力分布规律进行叠加，不但使得径向隔磁桥，承担径向拉力，也在靠近圆心附近的隔磁桥底部，增加环向拉伸分量，从而增大了该处的应力值。在强度设计时，应尽量将其底部附近，以环向平滑过渡；而过盈配合对外圈隔磁桥，也会在一定程度上的环向拉伸效果，但影响程度，一般低于径向隔磁桥底部。

对于本节首先，参考前两节介绍过的方法，设定从1000RPM到25000RPM不同转速的离心力作用，查看应力及变形分布规律。并且为更加全面的揭示基本规律，又采用是否开启大变形开关，进行了结果对比。

而后，不考虑离心力，分别设定从0.002mm到0.02mm单边过盈量计算应力。

最后，在保证接触压力与内应力较为合理的范围内，计算可用的转速范围与过盈量范围。以上每个案例的单次平均求解时间约10分钟。

1.1?变化离心力作用下的冲片应力规律

设定10个荷载步，以帮助添加逐渐增加的转速。并分别采用开启和关闭大变形开关，进行对比计算。如下两图所示。????????

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图-01?关闭大变形开关

图-02?开启大变形开关

在求解设置中，设定10个荷载步，并设置转速荷载，依照下图规律，分别设定转速。

图-03?设置多组转速荷载

其他方法如上文所示，本次不再赘述。下图为关闭大变形开关时的求解收敛进程。查看求解信息中的求解输出中的力的收敛图，共计91个荷载子步的迭代计算后，完成收敛。图-04?关闭大变形计算收敛过程

下图为开启大变形开关，同样91个子步收敛完成。但是两者的总计算时间差异巨大。图-05?开启大变形计算收敛过程

下图为关闭大变形开关，共计4136秒求解时间。

图-06?关闭大变形计算时间

下图开启大变形以后，8042秒时间完成，基本是关闭前的一倍。说明大变形计算的迭代过程，会大幅度增加计算量。图-07?开启大变形计算时间

以上过程可以总结一个小小的规律，在计算内容不变及总的迭代子步数一致的基础上，开启大变形开关，会显著的增加计算时间。对于仿真而言，计算时间或者说计算量，一般是与计算精度互相矛盾的，关闭大变形精度略有降低，但计算速度快计算量小；反之亦然。

下面分别查看其计算结果的差异。首先对比最大变形，而后是等效应力。

图-08?关闭大变形开关的变形结果

图-09?开启大变形开关的变形结果

两者均在第8个荷载步（对应19000RPM转速）以后，变形量急剧增加。关闭大变形开关的最大变形量为0.884mm，开启为1.11mm，互相差异约12.5%。已经达到了常规意义上变形比例超过10%，需考虑开启大变形开关的条件。但也应与电机设计转速进行协调权衡。

如转子的设计转速，明显低于变形发生激烈增量的范围，则是否开启大变形开关，对结果影响不大。应关闭，还可大幅度节约计算量。

下面对比应力结果的差异。

图-10?关闭大变形开关应力结果

图-11?开启大变形开关应力结果

其规律