基于ANSYS的永磁電機轉子沖片結構的優化設計

唐子謀，張誠誠

(南車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001)

基于ANSYS的永磁電機轉子沖片結構的優化設計

唐子謀，張誠誠

(南車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001)

運用ANSYS的優化設計模塊對永磁電機轉子沖片隔磁橋附近的結構進行優化設計，采用APDL參數化設計通過拓撲形狀優化功能確定沖片優化的初始區域，在此基礎上運用尺寸優化功能確定最優的形狀尺寸參數,最終結合工程化要求確定轉子沖片的施工結構尺寸。電機最后通過最高轉速試驗表明文章運用的結構優化設計方法切實可行，滿足工程化生產要求。

永磁電機;轉子沖片;APDL;結構優化

與電勵磁同步電機比較,永磁同步電機具有損耗小、效率高、結構簡單、可靠性好等突出優點,在風力發電、電力驅動等領域獲得了越來越廣泛的應用。

空載漏磁系數是永磁同步電動機的一個重要設計參數,它反映了電機中永磁材料的利用率。為不使電機中永磁體的漏磁系數過大而導致永磁材料利用率過低，轉子磁路結構中設置有隔磁結構即隔磁磁橋，通過磁橋部位磁通達到飽和來起到限制漏磁的作用；同時，隔磁橋把轉子沖片連成一個整體提高沖片的整體機械強度。

由于隔磁磁橋寬度越小，該部位磁阻便越大越能限制漏磁通。因此，隔磁橋的機械強度是永磁電機轉子結構設計的一個關鍵要點。

文章介紹一種基于ANSYS的結構尺寸優化設計方法，對一種內置式轉子磁路結構中的隔磁磁橋附近的結構進行拓撲優化設計，以保證整個轉子沖片具有足夠的機械強度。

1 ANSYS優化設計

基于ANSYS有限元的結構優化設計方法是建立在數學優化算法、結構分析和計算機技術上的優化設計方法。可以根據設計變量的類型分為拓撲優化設計和參數優化設計。

1.1 拓撲優化設計

拓撲優化是形狀優化，也稱外形優化。其目標是尋找承受載荷物體的最佳材料分配方案，以優化結構的某些性能或減輕結構的重量。這種方案在拓撲優化中表現為“最大剛度”設計。其目標函數是滿足結構的約束情況下減少結構的變形能，即相當于提高結構的剛度。

1.2 參數優化設計

參數優化設計就是在滿足設計要求的條件下搜索最優設計方案，即滿足所有設計要求的最經濟高效的可行設計方案。基本要素包括定義幾何尺寸參數(設計變量DVs)，建立參數化模型，在滿足設定的約束條件下（狀態變量SVs），通過不同的優化算法對目標函數進行尋優，從而得到一組優選方案。

2 內置式轉子沖片優化分析

如圖1為一種V字型轉子磁路的典型結構，可以明確地看出轉子沖片最薄弱的部位是隔磁橋附近區域，容易產生應力集中。

圖1 V型磁路結構的轉子沖片

轉子沖片在高速旋轉時，主要受到離心力的作用。為確保轉子沖片結構既滿足電磁性能的要求又要有足夠的機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置合理的減重孔以抵此部位的應力集中。減重孔的設計需考慮轉子沖片的最佳傳力路徑，使得轉子沖片的整體剛度和強度不受影響。

2.1 轉子沖片有限元模型

轉子沖片模型建立的假設前提如下：

（1）在轉子高速旋轉的情況下，只考慮離心力作用；

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

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

（4）轉子內徑與轉軸過盈配合，在運轉時其內徑尺寸變化非常小，可近似認為轉子內徑的相對位置不變。此處的邊界條件可做全約束處理；

（5）當轉速穩定后，沖片所受的離心力可看做是常量，對轉子沖片動態分析簡化為靜態強度分析。

根據以上假設條件進行有限元建模，圖2為轉子沖片的網格模型。

圖2 有限元網格模型

2.2 拓撲優化模型

采用拓撲優化方法來設計減重孔的初步孔形。拓撲優化包括如下主要步驟：

（1）定義拓撲優化問題；

（2）選擇單元類型；

（3）指定要優化和不優化的區域；

（4）定義和控制載荷工況；

（5）定義和控制優化過程；

（6）查看結果。

對整個沖片進行優化時，設定優化目標為沖片體積減少50%，優化結果以密度云圖來顯示，如圖3所示。

對優化結果的密度云圖進行后處理，提取密度云圖的邊界節點坐標值，然后在CAD中進行描點繪制確定比較精確的減重形狀，最終得到減重區域的基本形狀。為了便于工程化生產，減重孔的初步形狀需進行重新調整，如圖4所示。

圖3 密度云圖

圖4 減重區域的邊界CAD點圖

2.3 形狀尺寸優化模型

為確定減重孔的最終孔形尺寸，需再進行孔形尺寸的優化設計。根據拓撲優化結果確定優化變量和初始值，運用子空間法尋優。

設計變量：D、R；

狀態變量(約束條件)：位移，應力；

目標函數：體積最小。

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

圖5 減重孔尺寸參數

3 實例驗證

3.1 V型磁路轉子沖片優化

通過拓撲優化設計得到減重孔初步外形，運用參數設計優化得到最終優化結果系列：

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力集中，在一定的范圍內D越小越好，R越大越好。

3.2 轉子沖片強度校核對比

為驗證減重效果是否達到預期目標，對優化前后的轉子沖片進行強度校核對比。轉子沖片的物性參數如表1所示。

表1 硅鋼片的物性參數

在電機最高轉速下轉子沖片的最大的位移及應力數值統計比較如表2所示。減重前后最大應力值可降低約11%，而最大位移可保持基本不變。

表2 強度計算結果統計

3.3 電機超速試驗結果

根據優化結構確定最終減重孔尺寸為R=12，D=80。轉子沖片的實物如圖6所示：

圖6 轉子沖片實物

為確保轉子在最高轉速下安全可靠，優化后的轉子完成了超速試驗。試驗前后的轉子外徑測量位置如圖7所示：

圖7 轉子外徑尺寸測量位置

超速前后的轉子外徑尺寸測量數據如表3所示，實測數據表明轉子沖片超速后外形尺寸無異常，試驗合格。

表3 超速試驗前后轉子外徑尺寸表

4 結語

文章運用ANSYS優化模塊中的拓撲優化功能來設計隔磁橋附近減重孔的初始位置和孔形，利用尺寸參數優化來研究減重孔的最佳位置和尺寸大小，完成轉子沖片結構的優化設計。通過電機超速試驗表明，文章運用的結構優化設計方法切實可行，滿足工程化生產要求。

[1]趙朝會.徑向結構永磁同步發電機的比較研究[J].上海電機學院學報，2010，（3）.

[2]吳延忠.郭振宏,唐任遠.稀土永磁同步電動機隔磁磁橋的設計研究[J].沈陽工業大學學報,1997，（6）.

[3]博弈創作室.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例[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，設計師，主要從事機械結構設計方面工作。