基于ANSYS的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐子謀，張誠誠

(南車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001)

基于ANSYS的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐子謀，張誠誠

(南車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001)

運(yùn)用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片隔磁橋附近的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)通過拓?fù)湫螤顑?yōu)化功能確定沖片優(yōu)化的初始區(qū)域，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用尺寸優(yōu)化功能確定最優(yōu)的形狀尺寸參數(shù),最終結(jié)合工程化要求確定轉(zhuǎn)子沖片的施工結(jié)構(gòu)尺寸。電機(jī)最后通過最高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)表明文章運(yùn)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法切實(shí)可行，滿足工程化生產(chǎn)要求。

永磁電機(jī);轉(zhuǎn)子沖片;APDL;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

與電勵(lì)磁同步電機(jī)比較,永磁同步電機(jī)具有損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好等突出優(yōu)點(diǎn),在風(fēng)力發(fā)電、電力驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

空載漏磁系數(shù)是永磁同步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù),它反映了電機(jī)中永磁材料的利用率。為不使電機(jī)中永磁體的漏磁系數(shù)過大而導(dǎo)致永磁材料利用率過低，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中設(shè)置有隔磁結(jié)構(gòu)即隔磁磁橋，通過磁橋部位磁通達(dá)到飽和來起到限制漏磁的作用；同時(shí)，隔磁橋把轉(zhuǎn)子沖片連成一個(gè)整體提高沖片的整體機(jī)械強(qiáng)度。

由于隔磁磁橋?qū)挾仍叫。摬课淮抛璞阍酱笤侥芟拗坡┐磐āＲ虼耍舸艠虻臋C(jī)械強(qiáng)度是永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)。

文章介紹一種基于ANSYS的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)一種內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中的隔磁磁橋附近的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以保證整個(gè)轉(zhuǎn)子沖片具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

1 ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于ANSYS有限元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是建立在數(shù)學(xué)優(yōu)化算法、結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算機(jī)技術(shù)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。可以根據(jù)設(shè)計(jì)變量的類型分為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化是形狀優(yōu)化，也稱外形優(yōu)化。其目標(biāo)是尋找承受載荷物體的最佳材料分配方案，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的某些性能或減輕結(jié)構(gòu)的重量。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)。其目標(biāo)函數(shù)是滿足結(jié)構(gòu)的約束情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能，即相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。

1.2 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下搜索最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，即滿足所有設(shè)計(jì)要求的最經(jīng)濟(jì)高效的可行設(shè)計(jì)方案。基本要素包括定義幾何尺寸參數(shù)(設(shè)計(jì)變量DVs)，建立參數(shù)化模型，在滿足設(shè)定的約束條件下（狀態(tài)變量SVs），通過不同的優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，從而得到一組優(yōu)選方案。

2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子沖片優(yōu)化分析

如圖1為一種V字型轉(zhuǎn)子磁路的典型結(jié)構(gòu)，可以明確地看出轉(zhuǎn)子沖片最薄弱的部位是隔磁橋附近區(qū)域，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖1 V型磁路結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子沖片

轉(zhuǎn)子沖片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主要受到離心力的作用。為確保轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)既滿足電磁性能的要求又要有足夠的機(jī)械性能且具備一定的安全裕量。可通過在沖片的隔磁橋附近設(shè)置合理的減重孔以抵此部位的應(yīng)力集中。減重孔的設(shè)計(jì)需考慮轉(zhuǎn)子沖片的最佳傳力路徑，使得轉(zhuǎn)子沖片的整體剛度和強(qiáng)度不受影響。

2.1 轉(zhuǎn)子沖片有限元模型

轉(zhuǎn)子沖片模型建立的假設(shè)前提如下：

（1）在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的情況下，只考慮離心力作用；

（2）將磁鋼對(duì)轉(zhuǎn)子的擠壓作用按正交分解為沿接觸處的正壓力，并轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)載荷；

（3）主要考慮沖片徑向的應(yīng)力分布，其軸向應(yīng)力分布可認(rèn)為是不變的，因此可以建立沖片的2D模型；

（4）轉(zhuǎn)子內(nèi)徑與轉(zhuǎn)軸過盈配合，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其內(nèi)徑尺寸變化非常小，可近似認(rèn)為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑的相對(duì)位置不變。此處的邊界條件可做全約束處理；

（5）當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，沖片所受的離心力可看做是常量，對(duì)轉(zhuǎn)子沖片動(dòng)態(tài)分析簡化為靜態(tài)強(qiáng)度分析。

根據(jù)以上假設(shè)條件進(jìn)行有限元建模，圖2為轉(zhuǎn)子沖片的網(wǎng)格模型。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化模型

采用拓?fù)鋬?yōu)化方法來設(shè)計(jì)減重孔的初步孔形。拓?fù)鋬?yōu)化包括如下主要步驟：

（1）定義拓?fù)鋬?yōu)化問題；

（2）選擇單元類型；

（3）指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域；

（4）定義和控制載荷工況；

（5）定義和控制優(yōu)化過程；

（6）查看結(jié)果。

對(duì)整個(gè)沖片進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)為沖片體積減少50%，優(yōu)化結(jié)果以密度云圖來顯示，如圖3所示。

對(duì)優(yōu)化結(jié)果的密度云圖進(jìn)行后處理，提取密度云圖的邊界節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，然后在CAD中進(jìn)行描點(diǎn)繪制確定比較精確的減重形狀，最終得到減重區(qū)域的基本形狀。為了便于工程化生產(chǎn)，減重孔的初步形狀需進(jìn)行重新調(diào)整，如圖4所示。

圖3 密度云圖

圖4 減重區(qū)域的邊界CAD點(diǎn)圖

2.3 形狀尺寸優(yōu)化模型

為確定減重孔的最終孔形尺寸，需再進(jìn)行孔形尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果確定優(yōu)化變量和初始值，運(yùn)用子空間法尋優(yōu)。

設(shè)計(jì)變量：D、R；

狀態(tài)變量(約束條件)：位移，應(yīng)力；

目標(biāo)函數(shù)：體積最小。

最終的優(yōu)化目的，找到合適的R和D使得隔磁橋附近位置處的應(yīng)力最小，沖片整體剛度最好。減重孔的尺寸參數(shù)如圖5所示：

圖5 減重孔尺寸參數(shù)

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 V型磁路轉(zhuǎn)子沖片優(yōu)化

通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)得到減重孔初步外形，運(yùn)用參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化得到最終優(yōu)化結(jié)果系列：

其 中 ，D=78～80mm，R=10～12mm，R1=97～98mm，R2=3 mm，H=48mm，r=6mm。為降低隔磁橋附近的應(yīng)力集中，在一定的范圍內(nèi)D越小越好，R越大越好。

3.2 轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度校核對(duì)比

為驗(yàn)證減重效果是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，對(duì)優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)子沖片進(jìn)行強(qiáng)度校核對(duì)比。轉(zhuǎn)子沖片的物性參數(shù)如表1所示。

表1 硅鋼片的物性參數(shù)

在電機(jī)最高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子沖片的最大的位移及應(yīng)力數(shù)值統(tǒng)計(jì)比較如表2所示。減重前后最大應(yīng)力值可降低約11%，而最大位移可保持基本不變。

表2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.3 電機(jī)超速試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)確定最終減重孔尺寸為R=12，D=80。轉(zhuǎn)子沖片的實(shí)物如圖6所示：

圖6 轉(zhuǎn)子沖片實(shí)物

為確保轉(zhuǎn)子在最高轉(zhuǎn)速下安全可靠，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子完成了超速試驗(yàn)。試驗(yàn)前后的轉(zhuǎn)子外徑測(cè)量位置如圖7所示：

圖7 轉(zhuǎn)子外徑尺寸測(cè)量位置

超速前后的轉(zhuǎn)子外徑尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)子沖片超速后外形尺寸無異常，試驗(yàn)合格。

表3 超速試驗(yàn)前后轉(zhuǎn)子外徑尺寸表

4 結(jié)語

文章運(yùn)用ANSYS優(yōu)化模塊中的拓?fù)鋬?yōu)化功能來設(shè)計(jì)隔磁橋附近減重孔的初始位置和孔形，利用尺寸參數(shù)優(yōu)化來研究減重孔的最佳位置和尺寸大小，完成轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過電機(jī)超速試驗(yàn)表明，文章運(yùn)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法切實(shí)可行，滿足工程化生產(chǎn)要求。

[1]趙朝會(huì).徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的比較研究[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（3）.

[2]吳延忠.郭振宏,唐任遠(yuǎn).稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)隔磁磁橋的設(shè)計(jì)研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1997，（6）.

[3]博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社,2004.

An Optimal Design for the Structure of Rotor Plate of Permanent Magnet Motor Based on ANSYS

TANG Zi-mou,ZHANG Cheng-cheng
(CSR Zhuzhou Electric Co.,ltd,Zhuzhou，Hunan 412001,China)

The structure around the flux barrier of permanent magnet motor rotor plate was designed optimally with the ANSYS optimization design module of ANSYS,the initial area where the rotor plate was optimized was determined through topological shape optimization function with the application of APDL parametrization design,based on that,the optimal size parameter was determined with the application ofthe size optimization function,finally,combined with the engineering requirements,the construction structure size of the rotor-sheet was determined.That the motor pasthighest rotate speed test shows that the structure optimization design method is feasible,it meets the requirements of engineering production.

permanent magnet motor;rotor plate;structure optimization,APDL

TM313

A

2095-980X（2015）02-0032-03

2015-01-18

唐子謀（1983-），碩士研究生，設(shè)計(jì)師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面工作。