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电机仿真——以电机机座压定子CAE分析为例

责任编辑：王王木木时间：2023-03-27 来源：转载于：CAE仿真学社

责任编辑：王王木木
时间：2023-03-27 来源：转载于：CAE仿真学社

分类：技术分享

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导读：大家好，我是仿真秀专栏作者扶工CAE，先前我在B站创作并分享，2022年我受邀入驻仿真秀，分享这些年来我在企业工程仿真过程中积累宝贵经验，目前分享了多套电机相关CAE分析视频教程，深受用户的喜爱，欢迎试看。

我本科毕业于大连理工大学机械专业，后在韩国国立昌原大学硕士。目前从事CAE行业二十余年，在各大企业开展CAE一线工作，涉足的行业有航空，汽车发动机，汽车零部件，电机，电梯，橡胶塑料，电子显示模组等。我擅长的领域有Ansys Mechanical, LS-Dyna, Fluent, CFX，Flotherm XT, Dynaform, Hyperworks, Moldflow, Solidworks Simulation, Marc等。欢迎大家关注我和进一步技术交流。

一、电机机座压定子CAE分析

电机机座与定子铁芯通过冷压或热套进行装配，由于是过盈配合，很容易导致机座变形与开裂，特别是铸铁机座。如何确定合理的过盈量，既能承担一定的扭矩，又能避免变形过大和开裂，都可以通过CAE仿真进行预测。

1、几何处理

定子铁芯要进行简化，去除齿部，铁芯外径要比机座内径大一些，也就是要加上最大的过盈量。

机座要进行简化，去除一些小特征，比如一些不影响结构强度的小孔和圆角等。

2、材料特性

定子铁芯是叠片结构，是各向异性材料，可以在Ansys 里面设置。同时我们要导入机座材料铸铁HT200的材料特性，弹性模量为1.1e5 MPa，泊松比0.31，密度 7100 kg/m^3。

要确保分析模型中铁芯的方向，和材料特性中的各向异性的方向对应，如果方向不对，可以在Ansys中旋转模型，如下：

3、CAE模型设置

由于机座是圆筒结构，需要使用柱坐标，便于加载或查看结果，我们可以在机座中心建立一个柱坐标系。

接触设置很关键，这里可以采用摩擦接触，摩擦系数为0.1。关于接触算法，要确保穿透量最小。说到这里，拉格朗日嘴角露出微笑，我可以确保没有穿透，我一直以来没有被各位使用过，原来我也是有用的，天生我材必有用。

全局网格尺寸可以设为15mm，配合面的网格尺寸加密到5mm，后续可以根据分析结果，来进一步进行局部网格加密。

4、边界条件

关于约束，可以采用远程位移，约束6个自由度。远程位移这个工具，会给大家带来很多的惊喜；如果你还没有经常用到这个工具，说明你在仿真方面要进步的空间还很大。

设置两个载荷步，第一步施加过盈配合，第二步在机座上施加扭矩，看多大扭矩的时候，机座会发生旋转。

在四个地脚孔施加扭矩，扭矩要通过坐标系来定义轴线，通过表格施加扭矩，最大扭矩为10000N.m, 要注意Ansys中的扭矩单位为N.mm。

5、结果与后处理

接下来，就可以保存模型后，进行计算了，收敛曲线如下。我们看到第一步的过盈配合很快收敛，第二步在1.95s以后就不收敛了，说明机座发生了转动，过盈配合产生的摩擦力已经不足以承担这么大的扭矩了。

我们看一下变形曲线，时刻1.6s以后，变形就急剧上升，说明机座已经开始旋转了，此时对应的扭矩为6000N.m，说明过盈配合产生的摩擦力，能承担约6000N.m的扭矩。

我们还有一个办法来评估过盈量能承担多大的扭矩，就是通过接触工具，来提取过盈配合面的平均压力，再乘以配合面的面积，就可以得出总的正压力了。取摩擦系数0.1，就可以得出能承受的摩擦力。摩擦力再乘以配合面的半径，就可以得出摩擦力能承受多大的扭矩了。因此，下次我们就不需要设置两个载荷步，通过旋转机座来得出能承受多大的扭矩了。

接下来，我们可以通过柱坐标系，来评估止口位置的径向变形了。如果径向变形量太大，会影响两个端盖的同心度，从而导致气隙不均，产生电磁噪声。当然径向变形量的大小，也是有评估标准的，不同的机座尺寸有不同的评估标准。

如何评估压定子时机座是否会开裂？我们知道，铸铁是脆性材料，抗压不抗拉，因此要用拉应力，也就是第一主应力来评估。评估标准可以取铸铁抗拉强度的0.8倍，这样HT200的评估标准为160MPa。下图所示机座的最大应力为126MPa, 满足强度的标准，不会开裂。

二、Ansys电机整机结构CAE技术进阶

通过机座与定子铁芯之间的非线性接触分析，可以评估机座是否开裂，止口变形是否满足要求，以及过盈配合能承担多大的扭矩。本文施加的是最大的过盈量，我们还可以施加最小过盈量，计算一下最小能承受多大的扭矩，来确定合理的过盈量范围。

这样的案例在我的独家原创精品课《Ansys电机整机结构CAE技术进阶课12讲》还有很多，旨在让读者获得整机疲劳强度刚度、NVH和流固耦合分析能力。强烈推荐电机结构设计工程师、机械仿真工程师和理工科院校学生及教师学习。

来源：转载于：CAE仿真学社

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