高速电机转子冲片的强度设计（五）上篇：考虑塑性行为的材料非线性特性及应力控制的基本规律.docxVIP

1?前言

爆裂转速工况，是电机转子硅钢片强度设计时，最严酷的离心力应力工况。其一般用于考察在电驱动系统中，某些电气及电子部件（EE），偶然发生短时间的部分涉及功能安全的失效模式下，如电机控制器，因软件错误而失控、因旋变或其他转子的转速与位置传感器，发生数据反转或结构失效、多档减速机的换挡电机，意外降档操作等时，需确认电机的转子硅钢片，仍有足够的安全余量进行保护，并防止演变为更严重的强度失效的问题，如扫膛等一级事故。

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具体而言对于后者，在装备多档减速机的电驱动系统中，当整车以高速运行在较高档位时，减速机的换挡电机，因执行了非预期非受控的换挡操作，而更换到较低档位，则电机转子与车轮的当前速比，将急剧增加，并拖动电机运行在，远超设计转速的极高转速。虽其发生概较低，但严重度极高，仍需特别关注。

进一步的，在继续考虑一些涉及功能安全的假想失效模式时，在较低概率下，当整车高速行驶在冰雪及或湿滑的低摩擦系数的路面上（轮胎在干燥良好的泊油路，静摩擦系数约0.7，冰雪路面约0.1或更低）时，在换挡电机意外动作换挡后，减速机的换挡机构，将对车轮产生一个阻力矩，其可能大于此时车轮能提供的纵向摩擦力，那么车轮可能因此发生打滑。

众所周知，橡胶轮胎的横向摩擦系数，一般明显低于纵向摩擦系数。发生打滑时整车将有意无意的转弯，则车轮偏转后可能进一步加剧打滑，并可能引发更严重的行车交通安全事故。这都是新能源汽车，尤其是纯电动汽车用的电驱动系统，相对其他工业电机的一类特殊工况和失效模式。

如电机转子在不大于爆裂转速工况下，发生了如扫膛事故等强度失效模式，是最严重的事故等级，将给公司带来十分不利的经济和商誉损失。

根据有关国家规范及行业通行的设计指标，爆裂转速一般定义为电机最高设计转速的1.2倍。实验方法为保持该转速稳定2分钟以上，转子外圈不发生明显的塑性变形。由于离心力与转速呈平方关系正比，相对设计转速20%的转速增量，对于线性系统会带来约40%的离心力。其对转子隔磁桥的强度设计，提出了较大的挑战。

当然，国标一般仅定义最低限度的要求。实际进行转子强度性能设计和优化及样机实验时，真实的爆裂转速，可能远超1.2倍设计转速。

对于配备多档减速机的电驱动系统，其高低档位间的速比差异，一般大于1.2倍。在电机转子强度设计时，基于以上功能安全假设，建议以更高的转速基数，定义爆裂转速工况。如1.3~1.6倍等。

由于爆裂转速工况的实验，属于高风险的破坏性实验。实验中的转子，可能因变形过大而扫膛，甚至因局部强度失效，使转子严重质量不平衡，将转子与转轴甩出电机等危险情况的出现，实验时应缓慢加载，并小心谨慎及注意飞射物防护的安全保护。如某些核电站的常规岛中，为防止汽轮机转子意外失效的飞射，物造成较大的破坏损失。一般采用厚重的混凝土高墙，包裹在汽轮机水平方向的4面。

在仿真计算时，一般在前文线弹性材料属性基础上，新增塑性材料设置，并开启大变形开关。由于标准拉伸实验的数据无法直接用于仿真，需进行适当换算，则应提前了解部分材料强度有关的信息。

对于部分关键信息，本文给出了该数据的一般上下限范围，将有助于大家进行宏观的判断和精度预测。

当发生引起摩擦噪音异常增加的隔磁桥过度变形甚至断裂失效，需进行事故调查。建议参考一些断口分析的内容，以帮助解析断裂历史和原因，定位失效模式，并方便改进优化。

由于转子隔磁桥普遍尺寸较小，一般在1mm左右宽度量级，且位于硅钢片内部高速旋转，磁铁与隔磁桥的间隙普遍较小，十分不利于测定转子旋转时的局部内应力。建议参考一些光弹性试验法的内容，进行侧面试验验证，或对转子隔磁桥附近，喷涂脆性涂层方式，检查关键位置的最大应变分布规律。

最后，本文将回归仿真软件，通过选取并处理材料非线性属性数据，设置仿真分析，并完成一个基本的，考虑材料非线性的转子硅钢片爆裂转速工况的仿真分析。

综上所述，本节您将了解到：

1、?考虑塑性行为的材料非线性特性及应力控制的基本规律；

2、?失效件的断口分析方法与评价；

3、?爆裂转速工况下，强度仿真分析流程案例。

2考虑塑性行为的材料非线性特性及应力控制的基本规律

2.1?材料的塑性非线性特性

塑性的反义词一般称为弹性。即结构被加载又卸载后，结构尺寸和形状将完全回弹到初始状态，而塑性则无法完全恢复，并形成永久性的变形累积。结构在加载和卸载时的应力与应变关系，或者说拉伸试验台测出的拉伸位移与拉力的关系，不再遵循较为完美的线性变化规律，而是前段线性后段山峰状非线性变化的曲线。

如在仿真软件中，未提前定义材料非线性行为，并开启大变形开关，则软件仍然按照线弹性材料属性进行计算。当隔磁桥应力超过屈服强度时，应力结果为根据线性规律外推，而不是真实的非线性应力-应变关系，其计算得到的应力结果，将