驅動電機轉子結構優化分析

屈新田，章國光，史建鵬

（東風汽車公司 技術中心，武漢 430058）

世界汽車技術正朝著節能、環保、安全等方向發展，汽車的能量消耗與汽車自身質量成正比，因此，要想減少不必要的能量消耗，應在保證安全的前提下盡量減輕汽車自身質量。對于電動汽車來說，電池、電機和車身結構件所占整車質量的比例較高，從電池、電機和車身結構入手減輕質量，對電動汽車整車的輕量化效果十分顯著。

本文針對某自主設計電動車的驅動電機轉子進行結構強度仿真分析，在保證結構強度滿足設計要求的前提下，對轉子結構進行拓撲優化和形狀優化，優化后的電機轉子通過了試驗驗證，滿足設計目標要求。

1 電機轉子結構強度分析

1.1 仿真分析說明

內嵌式永磁電機采用轉子沖片內嵌磁鋼塊且磁極表面對稱分布的方式，不僅使電機反電動勢波形得到優化，而且有效的抑制了電機齒槽力矩和負載力矩擾動。電機轉子結構如圖1所示。在電機高速運轉時，電機轉子結構主要承受離心力、電磁力和永磁體吸引力的作用，研究結果表明，離心力是影響電機轉子結構強度的主要因素。本文在進行電機轉子結構強度分析時，主要考慮電機轉子在離心力作用下的結構強度。

1.2 結構強度分析結果

轉子沖片結構采用殼單元模擬，單元尺寸為0.5 mm，能夠較好的反映轉子的幾何特征。在分析過程中，電機轉子單個沖片處于自由狀態，對結構施加電機最高轉速12 000轉/分鐘，采用慣性釋放的方法，考慮永磁體與沖片之間的接觸關系，利用Abaqus求解器計算，分析結果如圖2所示。

電機轉子的最大應力為137.4 MPa，采用材料的屈服強度為395 MPa，安全系數為2.9，存在較大的設計優化空間。

2 電機轉子結構優化分析

2.1 結構拓撲優化分析

拓撲優化技術是在特定的設計空間、載荷和邊界條件的前提下，尋求材料的最優分布。它的特點就是在產品概念設計階段，在不知道結構形狀的前提下，得到合理的結構形式，提出最佳形狀設計。本文利用Altai公司的OptiStruct工具進行結構拓撲優化設計。

本文以電機轉子沖片非設計區域的單元密度為設計變量，以轉子沖片結構的一階模態頻率為約束條件，以轉子沖片結構的總質量最小為目標函數，應用OptiStruct進行結構拓撲優化分析，經過7次迭代計算，得到優化設計方案，根據軟件優化方案，形成最終的設計方案。優化過程如圖3所示。

2.2 結構形狀優化分析

形狀優化是一種細節設計方法，是設計人員對模型結構變化有了一定思路進行的設計。目的是通過改變某些形狀參數來實現好的力學性能，如應力、位移等。在形狀優化中，通過修改網格節點的位置以改變結構的形狀。在HyperMesh中，通過HyperMorh實現網格變形。OptiStruct通過HyperMorph進行區域變形，建立形狀變量，以形狀變量為設計變量進行優化計算。

本文以隔磁橋1的寬度、隔磁橋2的寬度和減重孔半徑作為設計變量，如圖4所示，通過HyperMorh實現網格變形，建立形狀變量，以材料的屈服強度作為約束條件，以轉子沖片結構的總質量最小為目標函數，應用OptiStruct進行結構形狀優化分析，經過迭代計算，得到各設計變量的結構最優參數如表1所示。

表1 形狀優化分析結果

對優化后的電機轉子進行結構強度分析，分析結果如圖5所示。電機轉子最大應力為241.4MPa，安全系數由優化前的2.9降為1.6，能夠滿足設計目標要求。

2.3 電機轉子熱變形分析

電機轉子在高速運轉時，除了受離心力外，隨著溫度的升高，電機轉子發生膨脹變形，變形量的大小直接影響電機定子與轉子之間的間隙量，進一步影響電機的工作效率。分別對優化前后的電機轉子進行熱變形分析。

采用慣性釋放的分析方法，對轉子結構施加極限溫度載荷，分析結果如圖6所示。分析結果表明，對轉子結構進行優化后，轉子的熱變形性能未發生變化，最大變形量均為0.11mm，滿足設計目標要求。

3 分析總結

（1）優化前后驅動電機轉子結構性能對比如表2所示，優化方案的最大應力為241.4 MPa，安全系數為1.6，最大熱變形與原方案一致，滿足目標要求，質量與原方案相比減重18.8%，輕量化效果顯著。

表2 優化前后電機轉子結構性能對比

（2）優化后的驅動電機轉子方案通過了臺架試驗驗證，未出現強度問題，現已實現小批量裝車。

（3）本文形成的電機轉子的結構強度分析方法，有效的指導了電機轉子的設計工作，并應用于后續的電機產品開發過程中。

（4）通過實現仿真與設計同步工程，使CAE工作在概念設計階段介入，盡早發現設計缺陷并及時進行結構改進，可以將設計問題降至最低，提高設計的可靠性和設計質量，縮短設計周期。

［1］陳遠揚.高速內嵌式永磁電機轉子機械強度分析［J］.微電機，2012， 40（5）.

［2］張勝蘭，鄭冬黎，等.基于HyperMesh的結構優化設計技術［M］．北京：機械工業出版社，2008.