驱动电机转子结构优化

摘要：以转子冲片结构的一阶模态频率为约束条件，以转子冲片结构的总质量最小为目标函数，应用OptiStruct进行结构拓扑优化分析，经过7次迭代计算，得到优化设计方案，根据软件优化方案，形成最终的设计方案。

关键词：转子;拓扑优化;形状优化

中图分类号：U469.72 文献标志码：A 文章编号：1005-2550(2013)02-0043-03

世界汽车技术正朝着节能、环保、安全等方向发展，汽车的能量消耗与汽车自身质量成正比，因此，要想减少不必要的能量消耗，应在保证安全的前提下尽量减轻汽车自身质量。对于电动汽车来说，电池、电机和车身结构件所占整车质量的比例较高，从电池、电机和车身结构入手减轻质量，对电动汽车整车的轻量化效果十分显著。

本文针对某自主设计电动车的驱动电机转子进行结构强度仿真分析，在保证结构强度满足设计要求的前提下，对转子结构进行拓扑优化和形状优化，优化后的电机转子通过了试验验证，满足设计目标要求。

1 电机转子结构强度分析

1.1 仿真分析说明

内嵌式永磁电机采用转子冲片内嵌磁钢块且磁极表面对称分布的方式，不仅使电机反电动势波形得到优化，而且有效的抑制了电机齿槽力矩和负载力矩扰动。电机转子结构如图1所示。在电机高速运转时，电机转子结构主要承受离心力、电磁力和永磁体吸引力的作用，研究结果表明，离心力是影响电机转子结构强度的主要因素。本文在进行电机转子结构强度分析时，主要考虑电机转子在离心力作用下的结构强度。

1.2 结构强度分析结果

转子冲片结构采用壳单元模拟，单元尺寸为0.5 mm，能够较好的反映转子的几何特征。在分析过程中，电机转子单个冲片处于自由状态，对结构施加电机最高转速12 000转/分钟，采用惯性释放的方法，考虑永磁体与冲片之间的接触关系，利用Abaqus求解器计算，分析结果如图2所示。

电机转子的最大应力为137.4 MPa，采用材料的屈服强度为395 MPa，安全系数为2.9，存在较大的设计优化空间。

2 电机转子结构优化分析

2.1 结构拓扑优化分析

拓扑优化技术是在特定的设计空间、载荷和边界条件的前提下，寻求材料的最优分布。它的特点就是在产品概念设计阶段，在不知道结构形状的前提下，得到合理的结构形式，提出最佳形状设计。本文利用Altai公司的OptiStruct工具进行结构拓扑优化设计。

本文以电机转子冲片非设计区域的单元密度为设计变量，以转子冲片结构的一阶模态频率为约束条件，以转子冲片结构的总质量最小为目标函数，应用OptiStruct进行结构拓扑优化分析，经过7次迭代计算，得到优化设计方案，根据软件优化方案，形成最终的设计方案。优化过程如图3所示。

2.2 结构形状优化分析

形状优化是一种细节设计方法，是设计人员对模型结构变化有了一定思路进行的设计。目的是通过改变某些形状参数来实现好的力学性能，如应力、位移等。在形状优化中，通过修改网格节点的位置以改变结构的形状。在HyperMesh中，通过HyperMorh实现网格变形。OptiStruct通过HyperMorph进行区域变形，建立形状变量，以形状变量为设计变量进行优化计算。

本文以隔磁桥1的宽度、隔磁桥2的宽度和减重孔半径作为设计变量，如图4所示，通过HyperMorh实现网格变形，建立形状变量，以材料的屈服强度作为约束条件，以转子冲片结构的总质量最小为目标函数，应用OptiStruct进行结构形状优化分析，经过迭代计算，得到各设计变量的结构最优参数如表1所示。

对优化后的电机转子进行结构强度分析，分析结果如图5所示。电机转子最大应力为241.4 MPa，安全系数由优化前的2.9降为1.6，能够满足设计目标要求。

2.3 电机转子热变形分析

电机转子在高速运转时，除了受离心力外，随着温度的升高，电机转子发生膨胀变形，变形量的大小直接影响电机定子与转子之间的间隙量，进一步影响电机的工作效率。分别对优化前后的电机转子进行热变形分析。

采用惯性释放的分析方法，对转子结构施加极限温度载荷，分析结果如图6所示。分析结果表明，对转子结构进行优化后，转子的热变形性能未发生变化，最大变形量均为0.11 mm，满足设计目标要求。

3 分析总结

(1)优化前后驱动电机转子结构性能对比如表2所示，优化方案的最大应力为241.4 MPa，安全系数为1.6，最大热变形与原方案一致，满足目标要求，质量与原方案相比减重18.8%，轻量化效果显著。

(2)优化后的驱动电机转子方案通过了台架试验验证，未出现强度问题，现已实现小批量装车。

(3)本文形成的电机转子的结构强度分析方法，有效的指导了电机转子的设计工作，并应用于后续的电机产品开发过程中。

(4)通过实现仿真与设计同步工程，使CAE工作在概念设计阶段介入，尽早发现设计缺陷并及时进行结构改进，可以将设计问题降至最低，提高设计的可靠性和设计质量，缩短设计周期。

参考文献：

[1] 陈远扬. 高速内嵌式永磁电机转子机械强度分析[J]. 微电机，2012， 40(5).

[2] 张胜兰，郑冬黎，等. 基于HyperMesh 的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

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