基于ansys的永磁电机转子应力分析

基于ansys的永磁电机转子应力分析

1电机转子机械强度的校核永速机以其高效、高频率和良好的可靠性在国防、工农业和日常生活等领域得到了广泛应用。永磁同步电动机转子内装有永磁体并开有大量隔磁槽,而使其强度和刚度受到极大削弱,同时使转子结构趋于复杂,在电机的设计中,为使电机能安全运行于性能指标所要求的整个转速范围内,应该校核计算电机转子结构的机械强度,从而使电机转子超速运转时在离心力的作用下不发生严重的塑性变形和破坏。传统的计算方法2接触约束的算法在工程实际中,会经常遇到接触问题。接触问题要求接触区域必须满足运动和力学接触约束根据上述约束条件施加方法的不同,将建立系统平衡方程的方法分为两类:Lagrangian乘子法和罚函数法。而增广Lagrangian法是Lagrangian乘子法和罚函数法相结合的一种方法。下面对这三种方法做一简要介绍。2.1angian乘子式中:π*—接触系统的总势能;π—不计接触时的系统势能;λ—Lagrangian乘子,其力学意义是接触力;g—间隙矢量(包括切向间隙)。由此建立包含接触力的平衡方程,该方法中接触约束条件可以精确满足,但由于Lagrangian乘子的引入,系统的求解规模增大了。2.2误差的影响式中:α—惩罚因子,其原理是一旦接触区域发生穿透,罚函数便夸大这种误差的影响,从而使系统的求解无法正常实现。该方法中的罚数选取会不可避免地给问题的分析造成困难,因为只有在约束条件完全满足后,选择的罚数才能求解出有实际物理意义的结果。这是一种工程近似方法。2.3接触条件的数值优化由于引入了高次罚因子项,增加了接触方程的对角优势,在不增加系统求解规模的情况下可以改善收敛性,也是一种近似方法。对(2)(3)两种工程的近似提法,还要相应地补充接触条件,此外,罚函数法还不能处理过盈问题(初始间隙为负值)。以有限元为基础的接触问题数值解法很多,以上仅介绍了目前工程中常用的几种方法。由以上这三种方法建立起来的非线性方程组仍要通过Newton-Raphson迭代法求解,Newton-Raphson法是求解非线性方程的线性化方法,简称NR法。ANSYS提供了三种NR方法:全NR法、修正的NR法以及程序在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵的NR法,亦可由程序自动选择。应根据实际问题选用。3接触算法的选择接触非线性分析与几何非线性和材料非线性的处理过程基本相同。只是在接触分析中要定义接触对并选择接触算法。这里以一主轴永磁同步电动机的冲片叠压式转子的强度分析为例。3.1电机转子力学模型的建立由于转子转动时,转子各质点的离心力与该质点到转轴中心线的距离有关,若取转轴中心线为z轴,如图1(a)所示,考虑到转子结构和离心力皆对称于X,Y轴,故可取单位长度转子的1/4作为转子力学求解区域,并将对称轴上的各点沿垂直于该轴方向的位移等于零作为位移的边界条件,从而得到用三维有限元计算电机转子铁心段应力和位移的力学计算模型。转子主要参数如下:转子冲片外径D=136mm;内径d=48mm。材料特性:硅钢片的弹性模量(2×10ANSYS软件可以按用户的需要自动生成各种网格。为了得到较好的网格模型的曲面形状,得到更精确的结果,本计算选取20节点三维六面体单元SOLID95,有限元网格划分,如图1(b)所示。3.2接触问题的求解永磁电机转子中永磁体和转子铁心之间显然是接触非线性状态,需进行状态非线性求解。通过目标单元和接触单元来定义模型在变形期间可能发生接触的区域。在转子的1/4求解区域内,永磁体与转子铁心有两个接触对,本计算目标面用TARGE170单元,接触面用CON-TA174单元;摩擦系数为0.2。由于接触问题的复杂性,使得用ANSYS求解接触问题的过程也非常复杂。ANSYS软件共提供了包括前面所述三种方法在内的五种接触算法ANSYS软件对面—面接触采用增广的Lagrangian算法和罚函数算法。本计算的接触算法采用扩展的Lagrangian方法。为了不造成太多的迭代次数,避免收敛困难,对Lagrangian算法所容许的最大穿透FTOLN以及接触刚度比例因子FKN的取值应适当。3.3anasas方法的线性化方法需要指出的是,在求解一般静力非线性问题时,时间变量t的不同取值只表示对应不同位移时的不同载荷水平;在动力分析或具有时间效应的静力分析中,变量才有它本来的“时间”含义。因此,常用增量分析方法求解非线性问题。因篇幅所限,这里仅给出如下的非线性方程组:式中:Ku—△t时间间隔内的节点位移增量;fp—外载荷节点力向量。求解上述非线性方程的线性化方法是Newton-Raphson法(简称NR法)。ANSYS软件将上述非线性方程组求解分成三个操作级别:载荷步、子步、平衡迭代。在每次求解前,NR方法估算出不平衡载荷,亦即方程组的右端项。然后程序使用不平衡载荷进行线性求解,且检查收敛性。如果不满足收敛准则,重新估算不平行载荷,修改刚度矩阵,获得新的解答。持续这种迭代过程直到问题收敛。ANSYS提供了三种NR方法:全NR法、修正的NR法以及程序在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵的NR法,亦可由程序自动选择。上述方法的主要区别在于在求解期间每隔多久修改一次正切矩阵,因而计算工作量和收敛快慢上有很大差别如果不能得到收敛,那么程序试图用一个较小的载荷增量来继续计算。ANSYS程序提供了一系列命令来增强问题的收敛性,如线性搜索、自适应下降、自动载荷步、二分等,可被激活来加强问题的收敛性。基于上述论述,计算采用全NR方法,利用线性搜索使问题收敛。3.4misen应力分布永磁同步电动机的实际工作转速为15000r/min,本计算是以电动机超速运转于18000r/min时进行的。转子vonMises应力等值线局部放大图,如图2所示。图中等值线图由浅到深表示应力值从190Mpa到910Mpa。从图2(a)等值线图可以看出,从永磁体的一端到其中间,在永磁体两侧Mises应力较大区域范围呈递增趋势,达260Mpa,与永磁体两侧相对的转子铁心部分Mises应力分布亦呈现出相同的趋势。在图1所示转子点B处径向位移最大,达0.132mm。从图2(b)中的应力分布可以看出,Mises应力的最大点位于图1(a)所示转子点A处,为了避免应力集中而不能反映实际情况,在建立有限元模型时将永磁体槽的尖角过渡部位A处处理成圆角过渡,但此处的最大应力还是达到了910Mpa,这远远超出了硅钢片的屈服极限412Mpa,不能满足实际要求,B处最大径向位移也超出了电机超速运转时的允许值(电机单边气隙长度的10%)因此必须改进电机转子结构。进一步的计算结果表明,将图1(a)所示永磁体槽一分为二,中间由隔磁磁桥连接,可显著地提高转子的机械强度和刚度,但隔磁磁桥的长度应尽可能小,否则,电机的电磁性能将变得很差