1 前言

新能源汽车电驱动系统的主驱电机，正在向高功率密度、高转矩密度、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转矩密度等，新能源汽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。

由于新能源汽车主驱电机，绝大多数供应商采用了内置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，我们却可以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。

本文以ANSYS Workbench 环境中的结构静力学及动力学分析模块为例，主要与大家探讨，内置式永磁同步电机转子冲片强度设计中的以下内容：

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；

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。

图-2 分析用模型

下面分别进行介绍与演示。

2 01节考虑高转速离心力的计算方法

本节主要技能点：

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

图-6为在磁钢槽处，局部修改为倒角过渡形式。具体的倒角形式，应充分与电磁性能设计人员和冲压工艺人员进行沟通与交流。并且尽量采用较为平缓的大尺寸倒角特征，以缓解应力，及减少由于冲压模具的尖锐，而引起的寿命降低问题。

图-6 添加局部倒角

经过多次调整，磁钢槽附近，采用图-7所示的倒角过渡形式。

下面解析一下图-7中两个磁钢孔的受力关系。由于本案例只考虑离心力作用，那么图中左侧开孔磁钢长度方向与径向离心力更加接近，则主要的离心力，将贴合到磁钢孔外圈一侧，右侧磁钢与径向夹角较大，一部分离心力，将被右上角磁钢孔的凸台所承担。这对于减少隔磁桥受力是有利的。因为相当于一部分离心力，不再直接从U形外圈区域，传递到尺寸较窄小的隔磁桥处，而是转移到相对内侧的区域。

本节为简化计算，不考虑右上角凸台附近的受力影响。以上细节连接设置，对结构强度影响问题，将在本文后半部分，以专题形式展现。