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1 前言
如今，永磁同步电机在新能源汽车电机领域有着压倒性的市场占有率。其转子部分极高的工作转速与复杂的结构，使CAEr们对其结构力学性能的分析提出了严峻的挑战。为了降低计算规模，保证计算精度，将转子铁心划分出全砖网格也挑战着广大CAEr的前处理技能。本文以某常见结构的永磁同步电机转子为例，介绍采用SolidWorks软件创建几何模型，并使用ANSYS Workbench Meshing模块划分网格的方法与技巧。
由于转子模型有着周期对称特性，建模时可首先建立最小周期模型，并根据拓扑结构对其进行适当的分割操作，以利于将复杂的几何外形剖分为多组可扫掠可映射的简单形状，并适当简化局部细小特征，即可较为方便的划分网格。本文的几何建模部分与剖分操作均在SolidWorks软件中完成；网格划分部分与求解部分采用了ANSYSWorkbench。
本文主要由三个部分组成：首先是转子铁心部分的建模和网格划分；另一部分是转子部分的建模与网格划分。最后将二者联合成装配体划分整体网格。
2 转子铁芯部分的建模与网格划分
Step1：根据工程图创建所需的几何模型。打开Solidworks并创建一个新文件。如图-1所示。
Step2：创建最小周期截面形状的45度圆心角扇形模型。如图-2所示。
图-1 新建模型
图-2 扇形草图
Step3：拉伸模型。为了节约计算量，只讲扇形模型拉伸2mm厚度，创建实体模型。如图-3所示。
图-3 拉伸草图
Step4：绘制磁钢位置的草图。为以后切除该部分模型作准备。
图-4 绘制磁钢草图
Step5:绘制减重孔草图。在铁芯模型靠近圆心一侧绘制两组1/2减重孔模型的草图。如图-5所示。
图-5 绘制减重孔草图
Step6：切除草图轮廓。采用拉伸切除功能将刚刚创建的磁钢部分草图和减重孔部分的草图从实体模型中切除掉。效果如下图所示。至此，本文所需的最小轮廓几何模型已经创建完毕，下面对其拓扑结构进行分析，并分割。
图-6 扇形部分模型
Step7：进行拓扑分析并分割模型。
拓扑分析与分割操作1：由于本模型有圆周对称特性，可以将其以多组同心圆的方式进行切割，尤其是对于靠近轴心一侧的部分，将其剖分出较薄的环形模型有利于保证过盈配合分析时网格划分的可控性和计算精度。其剖分路径与尺寸如下图所示。如图-7所示。
图-7 环形剖分
具体的分割命令位置如下图所示，为插入—特征—分割。如图-8所示。
图-8 分割操作的位置
选择分割操作按钮后，会弹出确认对话框，单击确定即可。如图-9所示。而分割所遵循的路径依照上一步草图划分操作。
图-9 确认分割
需要注意的是，执行分割操作前，应保证分割的范围为一个封闭截面，既可以一次性的将模型分割为最少两个互相独立的部分，还应保证分割线互相不可交叉。
在左侧选择分割体。对于本模型，可以全部选中“所产生的实体”中分割出的各局部模型。对于某些情况，可以只选取部分模型进行分割，以实现不需要分割的模型不被该草图分割掉。另外需要注意的是，部分版本的Solidworks执行分割操作时，会自动的选取下方的“消耗切割实体”。如果选中则分割后的模型将消失。对于部分情况下，其可以使用，对于本模型不需要。设置完毕后向上单击绿色对号按钮确认。如图-10所示。
在执行分割操作前，模型默认为白色，选中的剖分部分将被黄色或者紫色显示。如图-11所示。
图-10 设置分割
图-11 分割路径
拓扑分析与分割操作2：分割磁钢位置的模型。由于磁钢外侧的隔磁桥的宽度较窄小，剖分时在模型外圈近似圆形的绘制剖分路径。
需要注意的是，由于磁钢孔处有小直径倒角，剖分路径应穿过倒角1/2位置，而不应该直接在倒角切线或者延长线方向剖分。这样是为了避免模型剖分出极为尖锐的局部，以保证网格质量。
而后设置下部隔磁桥处的剖分路径。由于外圈模型已经被剖分为近似扇形，则该隔磁桥剖分时，剖分草图应向上略有凸起，以顺应模型形状的变化规律，保证网格尺寸过渡的平顺。最后，在磁钢孔底部位置向外垂直于隔磁桥方向绘制剖分草图，以讲模型左右两边剖分成近似梯形。最后使用分割命令将其逐个分割。如图-12所示。
图-12 分割磁钢孔与隔磁桥
拓扑分析与分割操作3：分割磁钢孔底部的模型。其底部模型被垂直于磁钢孔的分割路径以及环形分割路径剖分成近似三角形模型。此类模型可以采用Y形剖分的方法，以改善顶部的网格质量。其主要又两个步骤组成，首先在三角形顶角绘制一个近似三角形外突的剖分路径。如图-13所示。
图-13 三角形顶部剖分路径
并分割，如图-14所示。剖分后可将三角形部分模型分割为三个部分。如下图深色区域所示。
图-14 剖分三角形顶部
第二步是在第一步三角形剖分路径的基础上，连接剖分定点，并向下绘制圆弧，将模型分割为近似扇形和近似倒V形两部分，并剖分。如图-15所示。
图-15 二次剖分
拓扑分析与分割操作4：分割磁钢孔顶部的模型。由于隔磁桥的存在，磁钢孔顶部的模型与磁钢孔顶部尺寸变化巨大，其不利于网格尺寸的平滑过渡，可以采用平行四边形分割路径将其缓慢分割。如图-16所示。
图-16 平行四边形分割路径
拓扑分析与分割操作5：对半分割模型。由于模型在存在反对称特性，可以在中部划分一组径向分割路径，以将其分割为两组22.5度圆心角的扇形模型。如图-17所示。将其命名为“模型3 冲片”模型，并保存。
图-17 对半分割
Step8：创建完整圆周模型。最小对称的45度扇形模型的创建与分割操作完成，下面基于此采用圆周阵列的方法创建360度完整模型。新建一个装配体模型，如图-18所示。
图-18 新建装配体模型
创建装配体文件后插入模型，既刚刚建立的45度扇形部分模型。找到并打开模型，如图-19和图-20所示。
图-19 插入零件
图-20 打开模型
单击线性阵列按钮下方的黑色三角图标，单击圆周零件阵列按钮。如图-21所示。
图-21 圆周阵列功能
选择模型内侧圆弧为圆周阵列的基准圆，并设置阵列角度和数量。如图-22所示。
图-22 设置阵列参数
Step9：创建平键模型。本模型为了保证某性能，在内侧有一个平键，如果在创建45度模型时绘制其模型，则在阵列时讲被同时阵列。故建模时仅建立内侧圆弧，而在装配体阶段切除外侧模型，以留出平键。创建构造线，划分举行平键轮廓草图。如图-23所示。
图-23 平键轮廓草图
创建平键轮廓外圈环形的草图，并将其与图-23的草图合并。如图-24所示。
图-24 绘制外侧草图
使用切除功能将平键外圈的环形部分切除。如图-25所示。
图-25 切除平键外侧部分
Step10：保存模型。本模型创建并分割完成，下面将其保存为装配体。如图-26所示。
图-26 保存模型
为了减少模型文件体积，加快导入速度，可将其另存为X-T格式。如图-27所示。
图-27 另存为
Step11：使用ANSYSDM模块处理模型。由于本模型经过了多次分割操作，为多实体模型（Solidworks中的术语），如果直接导入ANSYS Workbench其会自动的在多实体模型的零件互相自动的创建绑定接触，以将其连接。而在不需要考虑接触的分析中，如本案例，可以将其导入DM模块，通过Form new part操作合并节点。打开一个静力学分析模块后，右键单击Geometry，在进入绿色的DM模块。如图-28所示。
图-28 打开DM模块
Step12：划分初始网格。在DM模块中刷新模型后，以选体的形式选中全部模型，右键单击Form new part。如图-29所示。
图-29 合并模型
关闭并保存模型，打开静力学分析模块的Mesh模块，采用默认设置划分网格。如图-30所示。
图-30 划分网格
图-31 网格参数
划分出的网格如图-32所示，可以看出其绝大多数位置的单元形状较为规整。
图-32 划分出的网格
Step13：在Workbench17.0以上版本可以直接在显示模式中下拉选择以云图形式查看单元质量。如图-33所示。
图-33 显示单元质量分布
Workbench中可以方便的调整云图图例的颜色，以利于查看特定的结果。逐个双击左侧的图例颜色，将部分修改为纯白色，可以将较差的模型比较明显的突出。如图-34所示。
图-34 较差的单元位置
可以看出在局部位置有一些单元质量0.6以下的模型。而单元质量指标是单元体积与尺寸的比例关系指标，其越接近1，说明其形状越规整。
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