屈新田，章國光，史建鵬

（東風(fēng)汽車公司 技術(shù)中心，武漢 430058）

世界汽車技術(shù)正朝著節(jié)能、環(huán)保、安全等方向發(fā)展，汽車的能量消耗與汽車自身質(zhì)量成正比，因此，要想減少不必要的能量消耗，應(yīng)在保證安全的前提下盡量減輕汽車自身質(zhì)量。對(duì)于電動(dòng)汽車來說，電池、電機(jī)和車身結(jié)構(gòu)件所占整車質(zhì)量的比例較高，從電池、電機(jī)和車身結(jié)構(gòu)入手減輕質(zhì)量，對(duì)電動(dòng)汽車整車的輕量化效果十分顯著。

本文針對(duì)某自主設(shè)計(jì)電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化，優(yōu)化后的電機(jī)轉(zhuǎn)子通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

1 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

1.1 仿真分析說明

內(nèi)嵌式永磁電機(jī)采用轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)嵌磁鋼塊且磁極表面對(duì)稱分布的方式，不僅使電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形得到優(yōu)化，而且有效的抑制了電機(jī)齒槽力矩和負(fù)載力矩?cái)_動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要承受離心力、電磁力和永磁體吸引力的作用，研究結(jié)果表明，離心力是影響電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素。本文在進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，主要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子在離心力作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬，單元尺寸為0.5 mm，能夠較好的反映轉(zhuǎn)子的幾何特征。在分析過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子單個(gè)沖片處于自由狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)施加電機(jī)最高轉(zhuǎn)速12 000轉(zhuǎn)/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(guān)系，利用Abaqus求解器計(jì)算，分析結(jié)果如圖2所示。

電機(jī)轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力為137.4 MPa，采用材料的屈服強(qiáng)度為395 MPa，安全系數(shù)為2.9，存在較大的設(shè)計(jì)優(yōu)化空間。

2 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2.1 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是在特定的設(shè)計(jì)空間、載荷和邊界條件的前提下，尋求材料的最優(yōu)分布。它的特點(diǎn)就是在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，在不知道結(jié)構(gòu)形狀的前提下，得到合理的結(jié)構(gòu)形式，提出最佳形狀設(shè)計(jì)。本文利用Altai公司的OptiStruct工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

本文以電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片非設(shè)計(jì)區(qū)域的單元密度為設(shè)計(jì)變量，以轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)頻率為約束條件，以轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用OptiStruct進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析，經(jīng)過7次迭代計(jì)算，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，根據(jù)軟件優(yōu)化方案，形成最終的設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化過程如圖3所示。

2.2 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化分析

形狀優(yōu)化是一種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方法，是設(shè)計(jì)人員對(duì)模型結(jié)構(gòu)變化有了一定思路進(jìn)行的設(shè)計(jì)。目的是通過改變某些形狀參數(shù)來實(shí)現(xiàn)好的力學(xué)性能，如應(yīng)力、位移等。在形狀優(yōu)化中，通過修改網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置以改變結(jié)構(gòu)的形狀。在HyperMesh中，通過HyperMorh實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格變形。OptiStruct通過HyperMorph進(jìn)行區(qū)域變形，建立形狀變量，以形狀變量為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)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(shè)計(jì)變量，如圖4所示，通過HyperMorh實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格變形，建立形狀變量，以材料的屈服強(qiáng)度作為約束條件，以轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用OptiStruct進(jìn)行結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化分析，經(jīng)過迭代計(jì)算，得到各設(shè)計(jì)變量的結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)如表1所示。

表1 形狀優(yōu)化分析結(jié)果

對(duì)優(yōu)化后的電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如圖5所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力為241.4MPa，安全系數(shù)由優(yōu)化前的2.9降為1.6，能夠滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)子熱變形分析

電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，除了受離心力外，隨著溫度的升高，電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生膨脹變形，變形量的大小直接影響電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙量，進(jìn)一步影響電機(jī)的工作效率。分別對(duì)優(yōu)化前后的電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱變形分析。

采用慣性釋放的分析方法，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)施加極限溫度載荷，分析結(jié)果如圖6所示。分析結(jié)果表明，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，轉(zhuǎn)子的熱變形性能未發(fā)生變化，最大變形量均為0.11mm，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

3 分析總結(jié)

（1）優(yōu)化前后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)性能對(duì)比如表2所示，優(yōu)化方案的最大應(yīng)力為241.4 MPa，安全系數(shù)為1.6，最大熱變形與原方案一致，滿足目標(biāo)要求，質(zhì)量與原方案相比減重18.8%，輕量化效果顯著。

表2 優(yōu)化前后電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

（2）優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子方案通過了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，未出現(xiàn)強(qiáng)度問題，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)小批量裝車。

（3）本文形成的電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，有效的指導(dǎo)了電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)工作，并應(yīng)用于后續(xù)的電機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程中。

（4）通過實(shí)現(xiàn)仿真與設(shè)計(jì)同步工程，使CAE工作在概念設(shè)計(jì)階段介入，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以將設(shè)計(jì)問題降至最低，提高設(shè)計(jì)的可靠性和設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期。

［1］陳遠(yuǎn)揚(yáng).高速內(nèi)嵌式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度分析［J］.微電機(jī)，2012， 40（5）.

［2］張勝蘭，鄭冬黎，等.基于HyperMesh的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.