2018年第9期
子，提供足够的动力驱使减速器，对转子的结构是满足机
械，强度，刚度方面的极限要求[1-2]，能够保证在电机在高速
运转时能稳定的工作，振动小，不被破坏；同时高速旋转，转子受到强大的离心力作用，使得电机轴和转子冲片发生形变，呈现非线性接触[3]，为此必须要对电机转子结构的机械强度进行计算。
随着计算机水平的不断提高，有限元理论的深入研究。NX 、ANSYS 、ABQUS 等三维建模和有限元软件在汽车工程领域得到广泛的应用，利用已有的软件对电机转子进行理论计算和强度分析[4-5]，缩短研发周期，并给设计人员提供
了有力的依据。
以某新能源汽车电机转子为研究对象，
在15000rmp 、转矩350Nm 作用下，建立电机转子受力计算模型，计算电机轴的最大剪切应力、
挠度、强度以及安全系数；电机轴与转子的接触应力计算。借助有限元的方法完成上述仿真分析。
1电机转子结构
对于高速永磁电机而言，转子需要满足机械强度要求，由于转子离心力大小与电机转速的平方成正比，转子半径
的平方成正比，
因此在15000rmp 高转速下，转子承受强大的离心力作用，为了减小离心力的作用在满足旋转磁场的
前提下尽可能的减小转子的半径。
经过初步方案设计，转子冲片采用硅钢，转子外圈半径为135mm ，转子冲片总高度为140mm ，转子转速15000rmp ，转矩350Nm ，重量15kg ，
加速度为10g 。以此为基础做深入研究。通过有限元仿真进
行分析，
如图1所示电机转子结构。2电机轴强度仿真
图2为电机轴三维数模，电机轴材料为20CrMnTi ，弹
性模量为2.12×105MPa ，泊松比为0.289，剪切强度为460~
512MPa 。仿真分析工况根据设计要求，工况1对电机轴施
加350Nm 的转矩仿真，工况2对电机轴的偏心质量在
15000rmp 转速下受到离心力以及转子质量在10g 加速度共同作用下的挠度分析。
图2
电机轴三维数模
2.1电机轴建模过程
图3为电机轴网格模型，电机轴采用一阶六面体单元
C3D8进行网格划分，整体网格尺寸为2mm 。
图3电机轴网格模型
2.2
电机轴分析结果
根据第四强度理论，
工况1分析结果中电机轴的最大剪切应力不应该超过材料的剪切强度并且安全系数应该大
于1.5；根据机械设计手册相关规定，工况2分析的结果中电机轴的挠度应该小于气隙的0.1。如图4，5为工况1和2的应力和位移云图。
新能源汽车高速电机转子总成强度分析
朱郑乔若，金鑫君
（衢州职业技术学院，
浙江衢州324000）
摘要：电动汽车转子高速旋转产生较大的离心力和磁拉力，容易引起较大的振动和扫膛。为了保证转子的可靠性，对转子总成进行强度分析。以某款新能源汽车电机为例，利用NX 软件对电机轴、转子建模，并导入ANSYS 对转速15000rmp ，转矩350Nm 的条件的转子总成进行有限元仿真分析，得出转子的应力和变形分布结果，满足设计转速时的强度要求，
为转子结构设计的合理性提供依据。关键词：离心力；磁拉力；转子；强度分析
基金项目：衢州职业技术学院院级科研项目“基于流固耦合的车用电
机温度场研究及冷却系统优化”（QZYY1618）的研究成果。
作者简介：朱郑乔若（1991-），女，硕士研究生，
主要研究方向：新能源
汽车电机。
电机轴压板A 转子压板B
图1转子总成结构
221
2018年第9期（a）应力云图（b）位移云图
图4工况1仿真分析
根据工况1的分析结果，再转矩350Nm作用下，电机轴的最大剪切应力为180MPa，安全系数为2.56~2.84之间，如表1所示。
零部件电机轴
表1工况1分析结果
最大剪切应力（MPa）
180剪切强度（MPa）
460~512安全系数
2.56~2.84图5工况2仿真分析
（b）位移云图
（a）应力云图
根据工况2的分析结果，在偏心质量产生的离心力和转子质量产生的惯性力共同作用下电机轴的最大形变量为
5.4×10-4mm，远小于判断标准的0.07mm，如表2所示。
零部件
电机轴
表2工况2分析结果
挠度（mm）
5.4×10-4标准：气隙×0.1（mm）
0.07
电机轴的强度仿真结果误差控制在10%以内，满足强度要求，验证电机轴的设计满足工作要求。
3转子铁芯强度仿真
在高速旋转下，考虑转子冲片受到较大的离心力作用，需要对转子铁芯进行强度仿真分析，转子铁芯如图6所示：
图6
转子铁芯冲片模型
考虑高速情况下，对转子铁芯的离心力作用，将工况设置为15000rmp和15000rmp×1.2。
3.1转子铁芯建模过程
考虑模型的计算速度问题，模型采用1/2进行建模计算，添加磁钢高速情况下对转子铁芯的离心作用，将转子铁芯内圈进行固定，并对关注区的位置进行细化。网格划分如图7所示。
图7
网格划分
3.2转子铁芯分析结果
转子铁芯采用的材料为屈服强度600MPa高强度材料，极限转速为15000rmp和18000rmp。转子铁芯的仿真分析结果如图8所示。
（a）15000rmp应力云图
222
2018年第9期
图8转子铁芯仿真分析结果
（b ）18000rmp 应力云图
根据仿真分析结果，
在15000rmp 和18000rmp 工况下，安全系数分别为1.87和1.3，满足工作要求，
如表3所示。零部件转子铁芯
表3分析结果
工况转速（rmp ）1500018000应力（MPa ）320460屈服强度（MPa ）600抗拉强度
（MPa ）660
安全系数
1.87
1.3
4转子总成强度分析
转子总成各个零部件的强度仿真结果满足机械设计要
求，之后需要对转子总成的强度分析。材料相关属性如表4所示。
材料20CrMnTi B27AHV1400表4材料相关属性
弹性模量（MPa ）2.12×1051.77×105
泊松比
0.2890.27
屈服强度（MPa ）
835400
4.1
转子总成有限元建模
由于电机轴与转子冲片均为对称结构，因此可以采用
1/4模型进行仿真分析，如图9所示，电机轴与转子均采用一阶六面体单元C3D8进行网格划分，电机轴为2mm ，转子
冲片的网格尺寸为1mm 。
图9
转子网格模型
采用1/4模型进行仿真，在对称面上分别施加对称约束，
并对电机轴与转子冲片施加轴向位移约束，
如图10所示。图10
边界条件设置
4.2
转子总成仿真分析
电机轴与转子冲片在单边初始过盈量为0.012mm 作用下的应力云图和表面接触应力如图11所示：
（a ）应力云图
（b ）表面接触应力
图11转子总成仿真分析结果
根据仿真分析结果，在电机轴与转子过盈量0.012mm
作用下，电机轴与转子冲片之间所传递的最大扭矩590Nm ，按照转矩350Nm 作为依据，其安全系数为1.68，分析结果如表5所示。
最大扭矩（Nm ）表5分析结果
初始过盈量（mm ）590
判断标准（Nm ）350安全系数
1.68
由分析结果安全系数满足设计要求。
5结语
通过对新能源汽车高速电机转子总成的强度分析，验证转子总成结构的合理性。采用NX 软件对转子总成的三
维建模，考虑到转子总成由电机轴和转子冲片组合，利用ANASY 软件对转子总成的各个零部件强度分析，最后对转子总成进行强度分析，
最终验证设计方案的合理性。参考文献
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