一种高转速永磁同步电机转子冲片结构优化

柯其锐

（中车株洲电机有限公司，湖南 株洲412001）

1 引 言

相对电励磁异步电机而言，永磁电机在弱磁控制前运行区间，其运行效率更高，整机功率密度更大；另外，相对电励磁同步电机，永磁同步电机其转子结构简单、总成工艺性更好，所以在国内新能源汽车领域，永磁电机占据了最大的市场比重[1][2]。

新能源汽车领域永磁同步电机转子拓扑结构一般分为表面凸出式、表面嵌入式以及内置式三种[3]。内置式结构防护性以及对磁钢抗机械冲击性更好，但其漏磁系数一般比表面凸出式、表面嵌入式高，因为嵌入式隔磁桥及部分加强筋处会比凸出式有更大的漏磁，且内置式短路抗去磁能力更强，也是因为电枢磁场会有部分从嵌入式隔磁桥处通过。针对新能源驱动电机一般弱磁范围较宽的特点，嵌入式也更有优势，基于以上分析，且考虑到表贴式工艺性较嵌入式差，组装自动化程度也不如嵌入式好，故本文涉及电机研制项目选择了内置式转子磁路结构。

在进行具体永磁同步电机内置式转子拓扑结构设计时，在达到电机特性需求、冲片冲压工艺及转子铁心叠压工艺要求的前提下，需平衡电机电磁性能以及冲片结构强度的限制。隔磁桥厚度过大，漏磁会增大，电机反电动势降低，抗去磁能力也有所减弱[4]，由于磁钢成本高，电机设计将不经济；隔磁桥厚度过小，一则会缩短复冲模模具寿命，二则冲片在高速旋转磁钢离心力、电磁力以及电机整机冲击振动运行工况下，易发生材料屈服乃至断裂，从而导致电机扫膛等质量事故[4]。

在本文高速电机转子冲片拓扑结构设计中，针对其影响转子冲片强度的几个关键部位：连接筋、减重孔，过盈量、隔磁桥宽度、永磁体槽倒角，进行了有限元仿真优化设计，通过合理设计保证高速转子强度和电机电磁性能满足要求，并留一定安全裕度，确保电机在实际使用工况下运行的可靠性。仿真分析的结论得到验证试验的有力支撑，试验样机U 型转子拓扑方案运用ansoft 电磁场分析软件对其最大去磁工作点进行校核，确保试验过程中不失磁，能顺利开展验证。电机电磁性能计算，也是运用ansoft 电磁场分析软件，确保最终优化的新型V 型转子拓扑结构磁密分布合理、满足温升限制、整机特性等用户需求。

2 样机ANSYS 强度分析

试验样机U 型槽结构转子，有限元仿真分析采用的是workbench 静应力分析模块static structural，项目建立了合理的高速电机转子冲片静应力仿真分析方法，定量分析永磁电机转子冲片应力大小和分布[5][6]，通过应力分布云图找出潜在的危险部位，从而为优化设计指明方向；在同时校核电机电磁性能的条件下，对该高速电机转子冲片结构进行改进和优化，降低整个电机转子冲片的应力水平。

冲片材料物理性能见下表：

表1 冲片材料性能

网格划分：网格控制为平行六面体网格；确保隔磁桥、磁钢槽之间的筋等薄壁处网格数目为三层以上，该数目经过网格收敛性判定；有限元模型建立如下图[7]：

图1 有限元模型

强度仿真载荷与边界条件的设置，由于轴向力影响小故忽略，约束转子转轴表面，释放径向自由度，约束切向以及轴向的自由度；施加最高转速为9000rpm 的惯性载荷；将磁钢的作用力，根据向心力公式，计算出相应压强加载到磁钢槽相应作用力面上；施加电机扭矩载荷、单边磁拉力载荷、以及满足国标的振动冲击载荷。

另外，由于大量仿真分析与工程生产实践的结合表明：对于内外径相差不大的冲片，尤其是过盈配合面离冲片减重孔、磁钢槽的距离小的冲片；过盈对冲片强度的影响不能忽略，过盈同电机转速、磁钢作用力、振动冲击一样，都是影响强度的主要因素之一，且过盈配合面离冲片减重孔、磁钢槽的距离越近，影响越大。故本轮仿真考虑转轴与转子铁心的过盈量。

以下仿真结果为对下列参数：连接筋厚度、减重孔形状及位置，过盈量、隔磁桥宽度、永磁体槽倒角多轮优化后最小应力值U 型槽转子结构，针对该结构对比了最大过盈及平均过盈(平均过盈取最大过盈的一半)两种情形下，1 倍最高转速、1.1 倍最高转速以及1.13 倍最高转速应力、变形云图：

图2 最大过盈9000

图3 最大过盈9900

图4 平均过盈9000

图5 平均过盈9900

图6 平均过盈10200

图7 平均过盈9900

表2 优化后U 型槽冲片强度

由于实际生产制造过程中，转子铁心与转轴配合过盈接近平均过盈，这里着重对平均过盈量下强度仿真计算进行分析：

（1）隔磁桥处。9000rpm 冲片隔磁桥最大等效应力405MPa，未达到材料屈服强度，9900rpm 冲片隔磁桥最大等效应力493MPa，材料屈服，但未达到抗拉强度。

（2）短磁钢槽处。10200rpm 冲片小磁钢安装槽下方局部应力436MPa，未达到材料的屈服强度值。

（3）长磁钢槽处。10200rpm 冲片长磁钢安装槽下方局部应力582MPa，达到材料的抗拉强度值。

（4）腰形孔处。9000rpm 冲片腰形孔倒角局部最大等效应力458MPa，达到屈服强度（屈服457MPa），低于抗拉强度(抗拉强度574MPa)90MPa左右。

3 试验验证

为固化仿真计算流程，需对以上仿真结果的准确性进行试验验证，为保证试验在既定载荷工况下顺利进行，特对该转子强度最优方案进行了去磁校核。

图8 电机去磁磁场强度

磁钢去磁磁场强度为-973.4kA/m，小于Sm－Co30H 的拐点磁场强度976kA/m，电机实际运行不会发生退磁。

电机在9000rpm、9900rpm 以及10200rpm 三个转速工况下开展验证试验：

（1）电机在9000rpm 运行10min 后解体，电机转子未出现任何异常。

（2）电机在9900rpm 运行10min 后解体，发现电机隔磁桥处发生屈服。

图9 9900rpm 隔磁桥处屈服

（3）电机加速过程中，运行到10200r/min，1.13倍最高转速下，电机异响，试验中断，停机后，测量绕组绝缘电阻为0，转子无法盘动。解体后发现8 极转子中1 处隔磁桥断裂。

图10 10200rpm 隔磁桥处断裂

通过上述三轮试验表明：仿真结果同试验现象高度一致，由此可以得出结论：永磁同步电机转子强度采用以上仿真计算流程是可靠的，能真实反应高速电机转子在高速运转下转子冲片的应力分布。

4 槽型优化

在得到可靠性固化仿真计算流程后，为提升冲片安全裕度而进行了下一轮结构优化，由于原方案槽型优化在技术设计阶段已做到极致，优化空间不大。为此需进一步优化槽型，本文对更换U 型槽方案，对新型单V 型槽型进行了强度优化设计，以下新型单V 型槽结构方案皆是在满足电机性能要求的前提下进行。

优化仍旧主要针对下面几个参数进行：磁钢大小、磁钢角度、隔磁桥、筋厚度、应力集中处倒角值等。

图11 2.2_7.6_R3_35

图12 _2.2_7_R6_35

图13 2.2_7_0.0855_R6_35

图14 2.2_6_0.0855_R7_34

图15 2_5_0.0855_36*22.8

结果列表：

最大应力值MPa方案 隔磁桥处MPa a)隔磁桥厚度分别为2.2 和7.6；下部倒角R3；9000rpm；无过盈，磁钢大小34*19.8 246 628 b)隔磁桥厚度分别为2.2 和7；下部倒角R6；9000rpm；无过盈，磁钢大小34*19.8 396 241 c)隔磁桥厚度分别为2.2 和7.6；下部倒角R6；9000rpm；考虑过盈，磁钢大小34*19.8 411 252 d)隔磁桥厚度分别为2.2 和6；下部倒角R7；9000rpm；考虑过盈，磁钢大小34*19.8 399 245 e) 隔磁桥厚度分别为2 和5；下部倒角R8；9000rpm；考虑过盈；磁钢大小为32.5*19.8 367 270

（1）方案应力最大值为628MPa，出现在靠近内圆的隔磁桥的圆角处。

（2）方案将磁钢槽下部圆角由R3 增大到R6，应力最大值为396MPa，位置同上。

（3）方案较之增加过盈量0.0855 载荷，应力最大值为411MPa，位置同上。

（4）的隔磁桥厚度分别为2.2 和6，将下部圆角由R3 增大到R7，磁钢减短1mm，应力最大值为399MPa，位置同上。

（5）的隔磁桥厚度分别为2 和5，R7 增大为R8，磁钢大小36×22.8，为调整合适的交直轴电感，将磁钢槽最低点抬高，应力最大值为367MPa，出现在靠近内圆的隔磁桥的圆角处。

以上分析表明，新型单V 型槽结构优化后，隔磁桥处应力相对U 型槽结构大幅降低，V 型槽结构应力最大处位于磁钢槽V 形顶点交汇倒角处，增加两磁钢槽中间筋厚度、增大倒角半径能有效降低该处应力值，但从电磁仿真结果来看，增大倒脚半径对电磁性能影响小，但进一步增加两磁钢槽中间筋厚度增厚，漏磁变大，反电动势降低，电流变大，电机温升增高。经由流体计算表明该方案温升裕度已经很小。

综合以上方案，电机转子冲片强度最佳方案为方案e），该方案虽然磁钢用量较之前面4 个方案少，但由于该方案通过对V 型夹角调整来对转子交直轴电感进行了调节，增大了永磁电机的凸机率，电机电磁计算表明：该方案，电机在额定点，电流低于上述4 个方案，额定点铜耗略低于原方案，电机额定点功率因数基本与原方案相当，电机效率略高，最终电机设计采用的转子拓扑结构为方案e）。

5 结 论

本文运用ANSYS 静应力模块，对电机两种槽性进行了强度结构优化，其中对一种U 型槽结构制造了相应样机，并进行比对验证试验，试验结果较好的反应了仿真分析结论。新型V 型槽结构较大的降低了电机隔磁桥处应力，两种槽性电磁性能皆采用ansoft 软件进行仿真分析，其电气参数仿真结果同试验值也能较好吻合。

本文运用的高速电机冲片强度仿真分析方法切实可行，试验比对后固化的等效与设置可以满足工程化生产要求。