驱动电机转子结构优化分析

驱动电机转子结构优化分析

火星蔡云丛迪

西门子电机（中国）有限公司江苏省211400

摘要：转子的强度和应力分析是设计驱动电机的一个重要环节。本文对某电动车的驱动电机转子进行了结构强度分析，针对强度分析结果进行结构拓扑优化和形状优化分析，优化后方案与原方案相比减重18.8%。仿真和试验结果表明该电机转子的优化方案是可行的。

关键词：转子；拓扑优化；形状优化

前言：随着能源危机的加剧，电动汽车作为一种零排放的汽车，越来越得到人们的关注。驱动电机的功率密度是其关键指标之一。本文对某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，减轻了转子重量，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

驱动电机在高速运转时，转子主要承受离心力、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电机模型的建立

本文所研究电机的调速范围为0~8000r/min，电机在实验时需要按照1.2倍额定转速超速运行，因此在对电机进行机械强度分析时，按照16000r/min进行计算。电机采用变频器供电，为了减小损耗，转子铁心采用M330硅钢片。

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。本文利用Altai公司的OptiStruct工具进行结构拓扑优化设计。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如图1。

总结：

（1）优化前后驱动电机转子结构性能分析，优化方案的最大应力为241.4MPa，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）本文形成的电机转子的结构强度分析方法，对驱动电机转子的设计有一定的指导意义。（3）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，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.

[3]龙遐令.直线感应电动机的理论和电磁设计方法[M].北京：科学出版社，2006.

[4]蒋良华.直线电机关键技术问题及其解决办法探讨[J].装备制造技术，2008（4）：37-38.

[5]叶云岳.直线电机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

[6]王凤臣，任良抒，丁菊霞.电力机车牵引计算[M].四川：西南交通大学出版社，2010.

[7]王晋.大功率无刷直流电机的分析及其电磁设计[D].华中科技大学，2005：32-36.