2024年4月25日发(作者：寸暄和)
第
54
卷第
1
期
2021
年
1
月
徽电机
MICROMOTORS
Vol.
54.
No.
1
Jan.
2021
永磁同步电机端盖模态分析及结构拓扑优化
刘海强
1
,
赵
坚
S
洪学武
1
,
杜静娟
1
,
于
明
2
,
李建军
S
汪文津
1
,
王晓远
7
（
1.
天津城建大学控制与机械工程学院
，
天津
300384
；
2.
天津城建大学计算机与信息工程学院
，
天津300384
；
3.
天津大学电气自动化与信息工程学院
，
天津
300384
）
摘要
：为解决新能源车用永磁同步电机端盖振动引起电机噪声的问题
，
将电机端盖建立等效数字化物理三维模
型
，
利用有限元分析软件对端盖模型进行振动模态分析
。
通过模态分析得到端盖的计算模态及模态振型并采用轻量
化设计方法对电机端盖进行结构拓扑优化
；
通过对比端盖优化前后的计算模态及模态振型
，
证优化后的端盖
证端盖
的前
，
有效
电机端盖的模态
％
并
端盖振幅
，
与电机发生共振的
范围
，
对车
用永磁同步电机的结构设计有重要的指导
中图分类号：TM351
；
TM341
关键词
：
永磁同步电机端盖
；
振动模态分析
；
轻量化设计
；
结构拓扑优化
文献标志码
：
A
文章编号
：
1001-6848
（
2021
）
01-0001-04
Modal
Analysis
and
Topological
Optimization
of
Permanent
Magnet
Synchronous
Motor
Caps
LIC
Haiqiang
1
，
ZHAO
Jian
1
，
HONG
Xuewu
1
，
DU
Jingjuan
1
，
YU
Ming
2
，
LC
Jianjun
1
，
WANG
Wenjin
1
，
WANG
Xiaoyuan
3
(
1
.
School
of
Control
and
Mechanical
Engir^ering
，
Tianjin
Chengjian
University
，
Tianjin
300384
，
China
；
2.
School
of
Computes
and
Informatioo
Engineering
，
Tianjin
Chengjian
Unnersiy
，
Tianjing
300384
，
China
；
2
.
School
of
Electrical
Automation
and
Information
Engineering
，
Tianjia
University
，
Tianjia
300384
，
China
)
Abstract
:
To
solve
the
problem
for
permanent
maanet
synchronous
motor
end
caps
vibration
caused
by
noise
，
tie
motoa
end
cavva
equivvlent
physica.
3
d
digitaV
model
was
set
up
，
finite
element
analysis
software
was
used
to
analyze
the
vibration
mode
of
the
end
cavva
model.
The
calculated
modes
and
modal
shapes
of
the
end
caps
wera
obtained
by
modaV
analysis
，
and
the
strnctura
of
the
motoa
end
caps
was
topolovicaV
opti
mized
by
mens
of
lightweight
design
method
.
By
camparing
the
calculated
modes
and
modaV
modes
befora
and
after
the
optimization
of
the
end
caver
，
it
can
f
ectivviy
increase
the
modai
frequency
of
the
motor
end
caver
and
reduca
the
amplitude
of
the
end
caver
，
and
it
is
far
away
from
the
frequency
range
of
resonanca
with
the
motoa,
which
has
certain
referenca
vvlue
foa
the
structural
design
of
permanent
maanet
synchronous
motoa
for
vehicle.
Key
words
:
permanent
maanet
synchronous
motor
caps
；
vibration
modal
analysis
；
lightweight
design
；
structural
topolovy
optimizlion
o
引言
新能源汽车
的
，
电动汽车
成
为
车
的发
[
1
]
%
电机为驱动
，
步电机
，
车用永磁同步电机振动引起的噪声问题成
为电机行
解决的问题
。
在电机设计制造过程
，
要避免电机
件与电机
、
电磁力
发生共振
。
电机
件结构的固有频率对于
的纯电动汽车
、油电混动汽车等大部分采用永磁同
电机的设计制
行
重要
。
目前大部分研
收稿日期
：
2020
—
04
—
17
基金项目
：
国家自然科学基金
（
青年基金
51707128
）
；
天津市自然科学基金
（
重
C
）
项目
（
16JCZDJC38600
）
；
天津市科技特派员
项目
（
19JCTPJC49300
）
；
天津市科技特派员项目
（
19JCTPJC49000
）
%
作者简介
：
刘海强
（
1992
）
,
男
，
助教
，
研究方向为机械动力学
，
电机减振降噪
％
王晓远
（
1962
）
,
男，
教授
，
博士生导师
，
研究方向为永磁同步电动机的结构仿真研究、
各种电机电器的设计与控
制等
％
-
2
-
对电机的
微电机
进行动力学分析
，
针对电
，
端盖会与
54
卷
节省计算机运行时间
，
Smart
size
大小为
3
%
电机端
机端盖的动力学性能进行
盖
1
,
主要参数如表
1
%
电机
盖
分发生共振产生噪声
，
严重
发生端
％
熊焕国等人针对
Z4
系列直流电机端盖仿真建
证模型
，
立数学模型进行振动分析并通过
'
2
];
等将电机端盖等效为
学理论建立
的振动方程
，
计算
5
件
振共振的
，
分析了
、
励对
共振响应
的影响⑶
；
李自强等人将端盖等效为薄
用
MLP
法分
参
数
极
数
数
图
1
车用永磁同步电机端盖
析结构的各模态参数对振动的影响⑷
；
姚等人
利用软件对车用永磁同步电机进行了磁热耦合仿
表
1
电机主要参数
参
数
8/10
9
110
，
并建立
损耗模型，与实际样件标定数
据对比得出电机性能参数的优化方向[
5
];王伟等
通过对永磁体磁极进行优化
模态固有
，
共振
，
有效抑制了电机的噪声
[
6
]
%裴学良等
额定电压
/V
额
/kW
/kW
18
35
参
数
额
/(
r
-
mirT
1
)
定子外径/
mm
转子外径/
mm
磁钢厚度/
mm
/
(
a
min
—
1
)
参
数
2000
198
127
5
6500
对细长电机转轴断裂失效，
利用
Ansys
仿真分
1.
2
施加约束
端盖外沿
析得到电机转轴的转矩范围
，
为电机整体设计提供
参考
'
7
(
%
沿
基于上述文献
基础
，
本文针对车用永磁同
4
个
孔通过
接与车轴外
，
内圈
4
个
孔通过
接与电机外壳
步电机端盖进行动力学分析
，
利用有限元软件
・
，
8
个
孑
L
的表面自由
为零
，
因
外沿
4
个
孔内
周
4
个阶梯孔的平
面处施加全约束
。
忽略端盖与电机外壳体的摩擦;
建模进行振动模态分析
，根据分析结果对电机端盖
进行结构拓扑优化
，
通过对比优化前后的
结果
对端盖的影响
确定最优的方案
，
变化不大的情况下
，
降低
；
端盖与车轴间摩
端盖质量
，
低频共振
％
端盖的模态
，
使端盖避开电机
；
端盖的
分'
9
(
等对计算结果影
的
%
电机端盖
2
%
1
端盖建模仿真
1.1
有限元建模及划分网格
由于电动汽车整车质量限制
，
电动汽车一直朝
轻量化方向发展
％
电动汽车的传动
、
转向系
、
控制
，
尤是驱动
材料
，
获得最大的效
尽量采用轻质高强
经济性
％
端盖采用轻质
高强度材料
ZL103
，铸铝散热性能好
，
密度低
，
强
图
2
电机端盖网格划分约束图
，
泛应用于永磁同步电机结构
。端盖厚度为
1.3
求解有限元辨识模态
电机端盖材料为高强度铸铝
，
为体
，
阻
22
mm
；
为不规则
状
，
中心孔
为
60
mm
，
内
圈阶梯孔
为
14
mm
，阶梯孔
心位
1
210
由
为
0
[
10
]，
将电机端盖视为多个单自由
(阻
的多自由度振动
*
数学模型
述为
用
'
11
(
。
单自
tt
的圆周线上用于联接电机外壳
；
在端盖外沿有
四个
孔用于联接车轴％端盖
%利用
自由振动
振动
*
SolidWorks
软件建立端盖三维模型导入
Ansys
中，采
用高阶三维实体
元
M
+
>
,
+
C
{
>
+
?
，
(
1
)
Solidl86
，
实体单元适合大变
M
为质量矩阵
，
C
为
矩阵
，
？
为
矩
F
(
t)
外
励
向
，
外 励
、
大蠕变
、
高强
的实体％铸铝
模量为
密度
7el0
，
阵，
+
节点加速度列向量，
+
为节点速度列向
3000kgm
3
，
泊松比为
0.3
%
端盖采用智能网格
分⑻
，
能
能够针对模型不
分析效
，
量
，
+
节位
量
，
端盖
为
向量
，
对实体进行
自
由
同的
分自动生
状合理的
元
，
F
(
t)
=0
，
是可以用
自由
1
期
刘海
强
等
：
永磁同步电机端盖模态分析及结构拓扑优化
的固有频率和固有振型的无阻尼多自由度系统振
动方程为
M
>
,
+K
=0
2
端盖结构拓扑优化及模态分析
经过几种优化方案的对比
，
确定了此种结构
拓扑优化方案
：
利用
SolidWorks
在端盖外侧围绕
(
2
)
此方程的解为
>
=!
sin
(
A
+
"
)
(
3
)
位
动
。
将
(
3
)
自由振动时
,
中心孔构造一个
，
为
8
mm
，
内
一
标
X
g
同
w
同相角
!
的简谐运
(
2
)
有
[
K-AM
]{
#M
=
K
径为
130
mm
，
外径为
170
mm
;
在环形槽增加
10
个厚度
10
mm
加强筋
；
在端盖内侧构造一个直径
为
242
mm
，
为
5
mm
的
。
端盖内
外
结构
=0
(
4
)
(
5
)
方程
拓扑优化
内
4
。
结构拓扑优化方案
与外壳体外
同
，
使
-
,
#
=
$
2
,
$
为
有
，
解出的
向量
+
即是
有效减轻了端盖的质量符合轻量化设计理念
，
并
的
以有效提高端盖对电机内部的
的固有振型
。
解端盖模态
，
电机共振
设
分析
为
0~5000
利用有限元求解模
频率主要在低频振动
，
用
。
端盖精
实现优化后的端
度要求不高
，
采用铸造工
元类型及材料
-
求解处理
-
分析结果
。
Hz
。
采用
Block
Lanczos
求解
，
Block
Lanczos
主要应
盖制造
。
将优化后的端盖三维模型导入
Ansys
中
，
-划分网格
-
用在实体单元的模型
，
并
好
理刚体的
振型
，
此方法
好
解端盖
体的振型
。
解
到端盖的
5
阶模态振型
[12]
，
端盖模态
•
时
，
优化
7
前
的约束
，
在端盖内侧与外壳体接触的
表
2
阶
，
端盖振型
有
/Hz
最大变量
/mm
3
。
振型描述
。
优化后端盖
5
。
，
端
表2
5
阶计算模态
到优化后端盖的
5
阶模态振型
表
3
盖振型
6
。
1
2
3
4
2060.4
2747.0
3447.6
2.760
2.816
1.311
端盖
外沿摆动振动
端盖上侧外沿摆动振动
端盖中心孔周围
动振动
端盖
端盖
4081.8
4394.5
2.783
2.047
外沿
阶
振动
5
外沿
振动
.»SU«S
:
1.M4U
：
.E
”
2.U023
第一険仁
2060.4
Hz
第二阶
2747.0
Hz
图
4
端盖内外侧结构拓扑优化
W
.TMSM
:
-MMS
第三阶仁
3447.6
Hz
.U7UI
1
.9M1H
'
.EM3
_
1.1*03
*
第四
|^408
1.8
Hz
第五
|^i/=4394.5
Hz
3
端盖振型云图
图
5
优化后端盖约束图
微电机
54
卷
表
3
5
阶计算模态
阶次
有
/Hz
变
振型描述
心孔周围上下对
心孔变薄导致
，
但此阶振动
振动
，
主要是
电机转
最大变量
/
mm
1.831
由
速达到
280000
r/min
才能产生共振
，
远远超过此车
1
2
3
4
2060.
4
端盖中心孔周围沿
轴向摆动振动
端盖左侧外沿摆动振动
用永磁同步电机的额
％
第四阶第五阶变形量
有大
3776.5
3.
099
1.819
1.794
1.914
％
根据刚度质量效应
，
端盖在轻
4778.0
4932.2
端盖中心孔上 分
对
阶
振动
量化设计后有效
共振
，
端盖低阶模态振
，
优化前后最大变
,
为电机设计提供了重要的参考依据
％
端盖
心孔
分
对
阶
振动
端盖
心孔周围出
大范围阶
优化前后
对比
7
量对比
8
模态
优化前
2060.4
2747.0
%
/Hz
5
6362.5
表
4
模态频率与最大变形相对变化量
阶
振动
对
最大变
变化量
对
优化后
2948.4
3776.5
1
变化量
43.0%
37.5%
38.6%
20.9%
2
3
-33.7%
10.0%
38.%
3447.6
4081.8
4394.5
4778.0
4932.2
4
-35.5%
-6.5%
5
第一阶
3447.6
Hz
6362.5
44.8%
第二険仁
3776.5
Hz
—
优化前频率
—
----
优花后瘢車
"
.WM41
'
'
1.3VMI
'
第三阶上
4778.0
Hz
第四阶仁
4932.2
Hz
图
7
优化前后端盖频率对比图
A
—
优化前最大变形量
-优化后最大变形量
第五阶
6362.4
Hz
6
结构拓扑优化端盖振型云图
3
端盖优化前后模态分析结果对比
通过表
2
与表
3
的数据分析结果对比
，在
0~
5000
Hz
频率范围内
，
结构优化前后均提取到
5
阶模
图
8
优化前后端盖变形量对比图
5
态
。
优化前后模态
对比如表
4
%
电机端
盖
的
5
阶模态
优化前均有
43%
,
第
2
阶模态
，
模态振型变化不大
，
模态
％
第
1
阶模态
37.5%
,第
3
阶模态频
20.9%
,
第
5
4
结论
通过对电机端盖的结构拓扑优化
，
总结本文的
研究有
：
38.6%
,
第
4
阶模态
(
1
)
铝合金材质的端盖
自由
，
可视为刚体
动力学性能
％
通过端
阶模态
大
，
证
44.8%
%
优化前后模态频率
结构优化有效
模态
，
可
盖有限元分析掌握了电机端盖本
身
的动力学性能
％
电机端盖
低频振动范围
％
端盖结构优化后
，
33.7%
,
第二阶变形量增大
(
2
)
对端盖的动力学
，
将电机端盖进行轻
第一阶最大变形量
量化设计
，
端盖共振
并
变形，
为车用
(下转第
14
页
)
10%
，
最大变形部位出现在端盖
外沿
，
对端盖
永磁同步电机各部分的结构优化方向提供参考依据
％
的振动影响不大
％
第三阶变形量增大
38.7%
,
振动
微电机
电驱动
的主要阶
效果图
，
可以
支
异
(
4
)
通过
NVH
装车测试
，
表明电机
48
阶低速啸
出电机
48
阶噪声低速状态优化效果较好
，
并得到
叫噪声优化效果较好
，
1300
r/min
-
3000
r/min
区间
降低
5dBA
，
这与仿真结果对应
％
车内电机
8
阶
主机厂的认可
％
电机
8
阶由于整车的
导致低速出现
“
呜呜
”
声
。
噪声问题主要由于整车吸隔声问题导致低速时
“
呜呜
”
声
，
这个问题已经得到主机厂反馈认可是整
4
结论
(
1
)
本文通过简要分析永磁同步电机径向电磁
车
支
导致的
％
力波
，
电机电磁径向振动的根源
，
的主要原因
％
电
，
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优化方案在低速
状态下等效声
级降低约
4
dB
(
对应工况
2000
/
mia_25
kW
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%
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吴爽
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章桐
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车用永磁同步驱动电机径向力波仿真
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佳木斯大学学报
(自然科学版)
，
2012
,
30
(
5
)
.
(
上接第
4
页
)
(
3
)
为设计
应用场合的电机时
，
提供
一
分析'
J
]
•微电机,
2019
,
52
(
7
)
:
6-12.
行有效的结构拓扑优化方案
；
对整机
优化
有重要的指导
参
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温传新
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王培欣
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花为
.
电动汽车驱动系统的研究现状与发展
[
J
]
.
电机
，
2019
，
52
(
10
)
：
103-109.
[
7
]
裴学良
.
基于
Ansys
潜油电机转轴动力学仿真分析
[
J
]
•微电
机
，
2018
，
51
(
7
):
16-19.
[
8
]
杜韧
，
李佳栋
，
赵忠贤
，
等
.
基于
ANSYS
Workbench
圆盘割草
％
压扁机机架模态分析[
J
]
.
机械设计
，
2019
,
36
(
S2
)
：
63-66.
[
9
]
刘海强
，
赵坚
，王达
，
等•特种电动机风扇罩结构模态分析
[
J
]
.
制造业自动化
，
2018
,
40
(
3
)
：
41-46.
[
10
]
牛浩
，
王震涛
，
唐玉荣
，
等
.
基于
ANSYS
的残膜回收机提土
[
2
]
熊焕国
，
陈广洪
.
Z4
系列直流电机端盖的振动分析
[
J
]
.
中小
筛膜组件机架静力学及模态分析
[
J
]
•中国农机化学报
，
2019
,
40
(
12
):
190-195.
型电机
，
1987
(
3
)
:
8-10.
[
3
]
杨志安
，
冯宏伟
.
电机端盖超谐共振分析
[
J
]
.
工程力学
，
2012
，
29
(
10
):
288-293.
[
11
]
姚瑶
，
于维一
，
赵礼辉
，
等•某重型变速箱端盖强度有限元分
析及
[
J
]
.
机械强
，
2019
，
41
(
1
):
133-140.
[
12
]
马淑梅
，
柯于林
，
李爱平
，
刘雪梅
.
基于
ANSYS
的高效永磁
同步电机主轴静动态特性有限元分析[
J
]
.
机械设计
，
2013
,
30
(
2
)
:
82-86.
[
4
]
李自强
，
杨志安.电机端盖强非线性主共振分析[
J
]
.
机械强
度
，
2015
，
37
(
2
)
:
368-P72.
[
5
]
姚超
，
陆海斌
.
电动汽车用永磁同步电机性能参数仿真
[
J
]
.
电机
，
2019
，
52
(
1
):
21-25.
[
6
]
王伟
，
黄开胜
，
胡弼
，
等
.
基于永磁体优化
PMSM
力波与模态
2024年4月25日发(作者：寸暄和)
第
54
卷第
1
期
2021
年
1
月
徽电机
MICROMOTORS
Vol.
54.
No.
1
Jan.
2021
永磁同步电机端盖模态分析及结构拓扑优化
刘海强
1
,
赵
坚
S
洪学武
1
,
杜静娟
1
,
于
明
2
,
李建军
S
汪文津
1
,
王晓远
7
（
1.
天津城建大学控制与机械工程学院
，
天津
300384
；
2.
天津城建大学计算机与信息工程学院
，
天津300384
；
3.
天津大学电气自动化与信息工程学院
，
天津
300384
）
摘要
：为解决新能源车用永磁同步电机端盖振动引起电机噪声的问题
，
将电机端盖建立等效数字化物理三维模
型
，
利用有限元分析软件对端盖模型进行振动模态分析
。
通过模态分析得到端盖的计算模态及模态振型并采用轻量
化设计方法对电机端盖进行结构拓扑优化
；
通过对比端盖优化前后的计算模态及模态振型
，
证优化后的端盖
证端盖
的前
，
有效
电机端盖的模态
％
并
端盖振幅
，
与电机发生共振的
范围
，
对车
用永磁同步电机的结构设计有重要的指导
中图分类号：TM351
；
TM341
关键词
：
永磁同步电机端盖
；
振动模态分析
；
轻量化设计
；
结构拓扑优化
文献标志码
：
A
文章编号
：
1001-6848
（
2021
）
01-0001-04
Modal
Analysis
and
Topological
Optimization
of
Permanent
Magnet
Synchronous
Motor
Caps
LIC
Haiqiang
1
，
ZHAO
Jian
1
，
HONG
Xuewu
1
，
DU
Jingjuan
1
，
YU
Ming
2
，
LC
Jianjun
1
，
WANG
Wenjin
1
，
WANG
Xiaoyuan
3
(
1
.
School
of
Control
and
Mechanical
Engir^ering
，
Tianjin
Chengjian
University
，
Tianjin
300384
，
China
；
2.
School
of
Computes
and
Informatioo
Engineering
，
Tianjin
Chengjian
Unnersiy
，
Tianjing
300384
，
China
；
2
.
School
of
Electrical
Automation
and
Information
Engineering
，
Tianjia
University
，
Tianjia
300384
，
China
)
Abstract
:
To
solve
the
problem
for
permanent
maanet
synchronous
motor
end
caps
vibration
caused
by
noise
，
tie
motoa
end
cavva
equivvlent
physica.
3
d
digitaV
model
was
set
up
，
finite
element
analysis
software
was
used
to
analyze
the
vibration
mode
of
the
end
cavva
model.
The
calculated
modes
and
modal
shapes
of
the
end
caps
wera
obtained
by
modaV
analysis
，
and
the
strnctura
of
the
motoa
end
caps
was
topolovicaV
opti
mized
by
mens
of
lightweight
design
method
.
By
camparing
the
calculated
modes
and
modaV
modes
befora
and
after
the
optimization
of
the
end
caver
，
it
can
f
ectivviy
increase
the
modai
frequency
of
the
motor
end
caver
and
reduca
the
amplitude
of
the
end
caver
，
and
it
is
far
away
from
the
frequency
range
of
resonanca
with
the
motoa,
which
has
certain
referenca
vvlue
foa
the
structural
design
of
permanent
maanet
synchronous
motoa
for
vehicle.
Key
words
:
permanent
maanet
synchronous
motor
caps
；
vibration
modal
analysis
；
lightweight
design
；
structural
topolovy
optimizlion
o
引言
新能源汽车
的
，
电动汽车
成
为
车
的发
[
1
]
%
电机为驱动
，
步电机
，
车用永磁同步电机振动引起的噪声问题成
为电机行
解决的问题
。
在电机设计制造过程
，
要避免电机
件与电机
、
电磁力
发生共振
。
电机
件结构的固有频率对于
的纯电动汽车
、油电混动汽车等大部分采用永磁同
电机的设计制
行
重要
。
目前大部分研
收稿日期
：
2020
—
04
—
17
基金项目
：
国家自然科学基金
（
青年基金
51707128
）
；
天津市自然科学基金
（
重
C
）
项目
（
16JCZDJC38600
）
；
天津市科技特派员
项目
（
19JCTPJC49300
）
；
天津市科技特派员项目
（
19JCTPJC49000
）
%
作者简介
：
刘海强
（
1992
）
,
男
，
助教
，
研究方向为机械动力学
，
电机减振降噪
％
王晓远
（
1962
）
,
男，
教授
，
博士生导师
，
研究方向为永磁同步电动机的结构仿真研究、
各种电机电器的设计与控
制等
％
-
2
-
对电机的
微电机
进行动力学分析
，
针对电
，
端盖会与
54
卷
节省计算机运行时间
，
Smart
size
大小为
3
%
电机端
机端盖的动力学性能进行
盖
1
,
主要参数如表
1
%
电机
盖
分发生共振产生噪声
，
严重
发生端
％
熊焕国等人针对
Z4
系列直流电机端盖仿真建
证模型
，
立数学模型进行振动分析并通过
'
2
];
等将电机端盖等效为
学理论建立
的振动方程
，
计算
5
件
振共振的
，
分析了
、
励对
共振响应
的影响⑶
；
李自强等人将端盖等效为薄
用
MLP
法分
参
数
极
数
数
图
1
车用永磁同步电机端盖
析结构的各模态参数对振动的影响⑷
；
姚等人
利用软件对车用永磁同步电机进行了磁热耦合仿
表
1
电机主要参数
参
数
8/10
9
110
，
并建立
损耗模型，与实际样件标定数
据对比得出电机性能参数的优化方向[
5
];王伟等
通过对永磁体磁极进行优化
模态固有
，
共振
，
有效抑制了电机的噪声
[
6
]
%裴学良等
额定电压
/V
额
/kW
/kW
18
35
参
数
额
/(
r
-
mirT
1
)
定子外径/
mm
转子外径/
mm
磁钢厚度/
mm
/
(
a
min
—
1
)
参
数
2000
198
127
5
6500
对细长电机转轴断裂失效，
利用
Ansys
仿真分
1.
2
施加约束
端盖外沿
析得到电机转轴的转矩范围
，
为电机整体设计提供
参考
'
7
(
%
沿
基于上述文献
基础
，
本文针对车用永磁同
4
个
孔通过
接与车轴外
，
内圈
4
个
孔通过
接与电机外壳
步电机端盖进行动力学分析
，
利用有限元软件
・
，
8
个
孑
L
的表面自由
为零
，
因
外沿
4
个
孔内
周
4
个阶梯孔的平
面处施加全约束
。
忽略端盖与电机外壳体的摩擦;
建模进行振动模态分析
，根据分析结果对电机端盖
进行结构拓扑优化
，
通过对比优化前后的
结果
对端盖的影响
确定最优的方案
，
变化不大的情况下
，
降低
；
端盖与车轴间摩
端盖质量
，
低频共振
％
端盖的模态
，
使端盖避开电机
；
端盖的
分'
9
(
等对计算结果影
的
%
电机端盖
2
%
1
端盖建模仿真
1.1
有限元建模及划分网格
由于电动汽车整车质量限制
，
电动汽车一直朝
轻量化方向发展
％
电动汽车的传动
、
转向系
、
控制
，
尤是驱动
材料
，
获得最大的效
尽量采用轻质高强
经济性
％
端盖采用轻质
高强度材料
ZL103
，铸铝散热性能好
，
密度低
，
强
图
2
电机端盖网格划分约束图
，
泛应用于永磁同步电机结构
。端盖厚度为
1.3
求解有限元辨识模态
电机端盖材料为高强度铸铝
，
为体
，
阻
22
mm
；
为不规则
状
，
中心孔
为
60
mm
，
内
圈阶梯孔
为
14
mm
，阶梯孔
心位
1
210
由
为
0
[
10
]，
将电机端盖视为多个单自由
(阻
的多自由度振动
*
数学模型
述为
用
'
11
(
。
单自
tt
的圆周线上用于联接电机外壳
；
在端盖外沿有
四个
孔用于联接车轴％端盖
%利用
自由振动
振动
*
SolidWorks
软件建立端盖三维模型导入
Ansys
中，采
用高阶三维实体
元
M
+
>
,
+
C
{
>
+
?
，
(
1
)
Solidl86
，
实体单元适合大变
M
为质量矩阵
，
C
为
矩阵
，
？
为
矩
F
(
t)
外
励
向
，
外 励
、
大蠕变
、
高强
的实体％铸铝
模量为
密度
7el0
，
阵，
+
节点加速度列向量，
+
为节点速度列向
3000kgm
3
，
泊松比为
0.3
%
端盖采用智能网格
分⑻
，
能
能够针对模型不
分析效
，
量
，
+
节位
量
，
端盖
为
向量
，
对实体进行
自
由
同的
分自动生
状合理的
元
，
F
(
t)
=0
，
是可以用
自由
1
期
刘海
强
等
：
永磁同步电机端盖模态分析及结构拓扑优化
的固有频率和固有振型的无阻尼多自由度系统振
动方程为
M
>
,
+K
=0
2
端盖结构拓扑优化及模态分析
经过几种优化方案的对比
，
确定了此种结构
拓扑优化方案
：
利用
SolidWorks
在端盖外侧围绕
(
2
)
此方程的解为
>
=!
sin
(
A
+
"
)
(
3
)
位
动
。
将
(
3
)
自由振动时
,
中心孔构造一个
，
为
8
mm
，
内
一
标
X
g
同
w
同相角
!
的简谐运
(
2
)
有
[
K-AM
]{
#M
=
K
径为
130
mm
，
外径为
170
mm
;
在环形槽增加
10
个厚度
10
mm
加强筋
；
在端盖内侧构造一个直径
为
242
mm
，
为
5
mm
的
。
端盖内
外
结构
=0
(
4
)
(
5
)
方程
拓扑优化
内
4
。
结构拓扑优化方案
与外壳体外
同
，
使
-
,
#
=
$
2
,
$
为
有
，
解出的
向量
+
即是
有效减轻了端盖的质量符合轻量化设计理念
，
并
的
以有效提高端盖对电机内部的
的固有振型
。
解端盖模态
，
电机共振
设
分析
为
0~5000
利用有限元求解模
频率主要在低频振动
，
用
。
端盖精
实现优化后的端
度要求不高
，
采用铸造工
元类型及材料
-
求解处理
-
分析结果
。
Hz
。
采用
Block
Lanczos
求解
，
Block
Lanczos
主要应
盖制造
。
将优化后的端盖三维模型导入
Ansys
中
，
-划分网格
-
用在实体单元的模型
，
并
好
理刚体的
振型
，
此方法
好
解端盖
体的振型
。
解
到端盖的
5
阶模态振型
[12]
，
端盖模态
•
时
，
优化
7
前
的约束
，
在端盖内侧与外壳体接触的
表
2
阶
，
端盖振型
有
/Hz
最大变量
/mm
3
。
振型描述
。
优化后端盖
5
。
，
端
表2
5
阶计算模态
到优化后端盖的
5
阶模态振型
表
3
盖振型
6
。
1
2
3
4
2060.4
2747.0
3447.6
2.760
2.816
1.311
端盖
外沿摆动振动
端盖上侧外沿摆动振动
端盖中心孔周围
动振动
端盖
端盖
4081.8
4394.5
2.783
2.047
外沿
阶
振动
5
外沿
振动
.»SU«S
:
1.M4U
：
.E
”
2.U023
第一険仁
2060.4
Hz
第二阶
2747.0
Hz
图
4
端盖内外侧结构拓扑优化
W
.TMSM
:
-MMS
第三阶仁
3447.6
Hz
.U7UI
1
.9M1H
'
.EM3
_
1.1*03
*
第四
|^408
1.8
Hz
第五
|^i/=4394.5
Hz
3
端盖振型云图
图
5
优化后端盖约束图
微电机
54
卷
表
3
5
阶计算模态
阶次
有
/Hz
变
振型描述
心孔周围上下对
心孔变薄导致
，
但此阶振动
振动
，
主要是
电机转
最大变量
/
mm
1.831
由
速达到
280000
r/min
才能产生共振
，
远远超过此车
1
2
3
4
2060.
4
端盖中心孔周围沿
轴向摆动振动
端盖左侧外沿摆动振动
用永磁同步电机的额
％
第四阶第五阶变形量
有大
3776.5
3.
099
1.819
1.794
1.914
％
根据刚度质量效应
，
端盖在轻
4778.0
4932.2
端盖中心孔上 分
对
阶
振动
量化设计后有效
共振
，
端盖低阶模态振
，
优化前后最大变
,
为电机设计提供了重要的参考依据
％
端盖
心孔
分
对
阶
振动
端盖
心孔周围出
大范围阶
优化前后
对比
7
量对比
8
模态
优化前
2060.4
2747.0
%
/Hz
5
6362.5
表
4
模态频率与最大变形相对变化量
阶
振动
对
最大变
变化量
对
优化后
2948.4
3776.5
1
变化量
43.0%
37.5%
38.6%
20.9%
2
3
-33.7%
10.0%
38.%
3447.6
4081.8
4394.5
4778.0
4932.2
4
-35.5%
-6.5%
5
第一阶
3447.6
Hz
6362.5
44.8%
第二険仁
3776.5
Hz
—
优化前频率
—
----
优花后瘢車
"
.WM41
'
'
1.3VMI
'
第三阶上
4778.0
Hz
第四阶仁
4932.2
Hz
图
7
优化前后端盖频率对比图
A
—
优化前最大变形量
-优化后最大变形量
第五阶
6362.4
Hz
6
结构拓扑优化端盖振型云图
3
端盖优化前后模态分析结果对比
通过表
2
与表
3
的数据分析结果对比
，在
0~
5000
Hz
频率范围内
，
结构优化前后均提取到
5
阶模
图
8
优化前后端盖变形量对比图
5
态
。
优化前后模态
对比如表
4
%
电机端
盖
的
5
阶模态
优化前均有
43%
,
第
2
阶模态
，
模态振型变化不大
，
模态
％
第
1
阶模态
37.5%
,第
3
阶模态频
20.9%
,
第
5
4
结论
通过对电机端盖的结构拓扑优化
，
总结本文的
研究有
：
38.6%
,
第
4
阶模态
(
1
)
铝合金材质的端盖
自由
，
可视为刚体
动力学性能
％
通过端
阶模态
大
，
证
44.8%
%
优化前后模态频率
结构优化有效
模态
，
可
盖有限元分析掌握了电机端盖本
身
的动力学性能
％
电机端盖
低频振动范围
％
端盖结构优化后
，
33.7%
,
第二阶变形量增大
(
2
)
对端盖的动力学
，
将电机端盖进行轻
第一阶最大变形量
量化设计
，
端盖共振
并
变形，
为车用
(下转第
14
页
)
10%
，
最大变形部位出现在端盖
外沿
，
对端盖
永磁同步电机各部分的结构优化方向提供参考依据
％
的振动影响不大
％
第三阶变形量增大
38.7%
,
振动
微电机
电驱动
的主要阶
效果图
，
可以
支
异
(
4
)
通过
NVH
装车测试
，
表明电机
48
阶低速啸
出电机
48
阶噪声低速状态优化效果较好
，
并得到
叫噪声优化效果较好
，
1300
r/min
-
3000
r/min
区间
降低
5dBA
，
这与仿真结果对应
％
车内电机
8
阶
主机厂的认可
％
电机
8
阶由于整车的
导致低速出现
“
呜呜
”
声
。
噪声问题主要由于整车吸隔声问题导致低速时
“
呜呜
”
声
，
这个问题已经得到主机厂反馈认可是整
4
结论
(
1
)
本文通过简要分析永磁同步电机径向电磁
车
支
导致的
％
力波
，
电机电磁径向振动的根源
，
的主要原因
％
电
，
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一
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