做座基于有限元的机械应力分析

基于有限元的机械应力分析

一般情况下，IPM电动机具有I型、V型两种常用的转子结构。这两种lPM转子均通过隔磁桥饱和来限制漏磁通的大小以PDS系统(前称为PercuDyn系统)(图4)与上述的系统发挥作用的方式不同达到隔磁的目的。在V型IPM中为了降低隔磁桥受力以减小极靴形变，一般还会采用辅助隔磁桥(隔磁桥2)。

该两种lPM电动机转子的受力转子受力分析时，一般考虑以下三种力的作用，即离心力、定转子电磁力以及转子吸引力。其中离心力和定转子电磁力的方向相同，均径向向外，而永磁体和转子铁心之间的吸引力则垂精度越高直于永磁体边界径向向内。本文将分析上述三种力对于转子应力及形变的影响。

1有限元分析模型

对于IPM电动机性综合性能优变形等速率控制良能的分析，有限元是一种有效的分析手段。其中电磁有限元可以得到转子隔磁桥和极靴饱和的状况及电磁性能，而结构有限元可以分析隔磁桥部分的形变状况。基于强度分析中结构场与电磁场弱耦合性的特点，分析过程如下：先构建电机有限元节点与单元模型，接着对该电磁模型进行电磁力的计算和电磁性能的分析，最后将电磁模型分析的结果作为结构分析中结构场的边界条件，进行相应的应力计算及结构分析。

由电磁模型的分析可知，根据电机的对称性，6极电机只需对l／3电机模型进行分析即可。定转子相对位置不同时，电磁力的分布是不同的。通过改变定转子的相对位置可以得到不同的旋转位置下的电磁分布情况。

电磁有限元分析主要得到两方面的结果：一是作为结构场边界条件的转子电磁力分布情况：二是电机的电磁性能，包括其反电动势和漏磁。结构有限元分析着重考虑的是转子的应力分布以及极靴部分的形变状况。

2转子应力形变结果分析

由于磁钢和转子的接触并非理想接触，中间存在的间隙和黏胶等物质的磁导率远小于硅钢材料。，所以径向电磁力将垂直于转子外表面，不同位置的力的幅值会有变化(如图l所示)。转子冲片和永磁体之间的吸引力也基本上垂直于接触面。事实上，转子内部吸引力作为上述三种力中唯一方向不同的力，将起到消减离心力的作用。本文将分别进行三种情况下的有限元分析。

(1)独立转动 该状态下不考虑定转子内的磁性作用，转子单独在空气中转动，只计及离心力作用在转子上。

(2)空载状况 该状态下转子在无电流定子中旋转，与情况l相比，需额外考虑永磁体产生的电磁力。

(3)负载状况 该状态下定子绕组中施加了电流，转子在定子中旋转。与情况2相比，需多考虑定转子间的电磁力。后两种情况中唯一区别在于定子中是否有电流

三种情况的变化趋势是一致的。这是因为离心力和转速的平方成正比，所以转子的离心力将随着转速的上升而增加，而永磁体与转子间的吸引力仅起到缓解离心应力的作用，其效果使得“空载”情况比“独立转子”时的应力和形变都小一些 “负载”时应力和形变又会略有增大，这主要是由于电枢反应产生与离心力同方向的电磁力造成的。

当转速变化时，离心力和电磁力分别产生机械应力和转子形变作用所占的比例如图3所示。当转速达到1 0 000 r／min时，机械应力作用和转子形变效果70％由离心应力提供，相比之下，电磁力的作用低得多。