電機的結構設計及優化的案例
【設計】混合式磁鋼轉子結構的電動車用永磁磁阻電機優化設計
與開關磁阻電機相比，同步磁阻電機在轉矩脈動、振動噪聲方面占據優勢，但其驅動電路需采用六橋臂逆變器，使同步磁阻電機控制成本更高、難度更大；在轉矩密度、效率及功率因數方面，同步磁阻電機較永磁同步電機存在差距；轉矩脈動過大問題也是限制同步磁阻電機在電動車驅動系統中應用的重要因素。
永磁磁阻電機是同步磁阻電機的一種改進形式。由于其轉矩密度和功率密度高、凸極比大、調速性能優異、效率高，且使用較少永磁體材料，成本低廉，近年來被廣泛應用于包含電動汽車在內的各個領域中。但永磁磁阻電機同樣存在轉矩脈動過大的問題。
至此，針對目前電動車用電機的稀土永磁成本過高的問題，本文提出了一種新型永磁磁阻電機，采用釹鐵硼和鐵氧體混合式磁鋼轉子結構。基于有限元仿真軟件JMAG，重點分析研究了新型永磁磁阻電機與原全釹鐵硼永磁同步電機在額定點轉矩、磁阻轉矩和凸極比上的差異。針對新型電機反電動勢諧波含量過高、轉矩脈動過大和轉矩輸出能力不足的問題，進一步提出一種切向混合式磁鋼轉子結構，分析優化了切向混合磁鋼比例和位置參數。最終得到的新型永磁磁阻電機同時具有較高輸出轉矩、低轉矩脈動、高凸極比和低廉的成本。
展開 一種電機軸螺桿加工專用的數控銑床機械結構系統優化設計
基于其實際工況進行靜態、動態特性分析，綜合考慮各階模態重要程度，初定設計變量的尺寸變化范圍，采用 Box?Behnken 試驗法和靈敏度分析確定各設計變量對輸出參數（質量、位移、固有頻率）的影響程度，選出靈敏度較高的設計參數，建立響應曲面模型。以質量最小、位移最小、固有頻率最高為目標函數，采用篩選法進行多目標參數優化，獲得最優結構參數。機床床身結構優化分析圖如圖1示。
圖1 床身結構優化分析圖
2、結語
課題組提出了螺桿專用的數控銑床機械結構系統優化設計理論及其配套系統結構的設計是實現集成型旋銑機床全自動加工的決定因素，其設計的合理性將直接影響旋銑裝備的加工性能、生產效率和加工精度，是解決現有電機軸螺桿旋銑設 備生產工藝周期長、加工穩定性差、集成度低等問題的關鍵。課題組開發了一種新的連續送料自動加工工藝，設計并優化了與工藝策略高度匹配的關鍵功能結構。設計實現電機軸螺桿的全自動化加工，有望縮短工藝生產周期，提升生產效率，且整機結構設計穩定緊湊、占地面積小、集成度高。
來源：
作者：陳聰1 ，王貽誠3 ，鄭雪飛1 ，邵思程2 ，陳建新1 ，王勝2 ，朱勤1
（1. 浙江赫科智能裝備有限公司2. 衢州職業技術學院 3. 衢州賦騰科技有限公司）
展開 IPM電機隔磁橋電磁&結構多目標優化設計
隨著驅動電機功率密度的不斷提升，對電機的最高轉速也提出了更高的要求。在IPM電機中，轉子隔磁橋需要承受更大的離心應力，同時還必須確保足夠的隔磁性能。為了有效分散轉子應力，磁極拓撲結構變得愈發復雜，雙層甚至多層永磁體的設計變得非常普遍。這使得隔磁橋和孔的幾何設計具有更高的自由度和復雜性。
因此，如何在隔磁橋的尺寸設計中兼顧電磁性能和結構強度，成為一個典型的多物理場權衡設計問題。然而，僅憑借經驗來設計滿足所有設計任務要求的轉子隔磁橋尺寸非常具有挑戰性。
在這個案例中，我們將展示如何利用Maxwell UDP（參數化轉子幾何），結合Ansys Maxwell、Mechanical和optiSLang，來實現對IPM轉子隔磁橋進行多物理、多目標優化設計。這樣的綜合優化方法將有助于找到最佳設計方案，既能提高電機性能，又能滿足結構強度的要求。
展開 結構優化設計分析系列（三）：APDL在Workbench中的優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
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結構優化設計分析系列（二）：熱固耦合優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 結構優化設計分析系列（四）：模態分析優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 結構優化案例1—L型結構優化設計（減重）
1 前言
先前一直想就Optistruct結構優化方面寫個專題，但一直沒有找到以怎樣一種形式開始比較好。如果從優化相關的理論說起，一方面個人水平沒到，另一方面會導致很多沒有接觸過的伙伴壓根看不懂；但是直接從軟件的一些控制參數開始講起又顯得些許無趣。因此決定以這種案例的形式來進行說明，每個案例都會有自己的重點，希望讀者能仔細體會。
2 案例說明
圖 1模型示意圖
如圖所示L型結構（厚度0.1mm），其上端固支于壁面，右端作用一向下的大小為0.05N的荷載，作用范圍為0.5mm。現欲對結構減重70％以上且拐角處應力不超過400MPa。
材料屬性：彈性模量210000MPa，泊松比0.3
3 問題分析
該問題顯然是個優化問題，第一個要求：減重70％說明需要對結構開孔，將應力遠遠低于許用應力的部分去掉，這屬于拓撲優化范疇。第二個要求：拐角處應力不超過400MPa說明需要優化拐角處的形狀，避免應力集中，這屬于形狀優化范疇。
至于如何去理解本例的拓撲優化和形狀優化，這里我以兩者描述問題的不同來簡單區分。
拓撲優化描述的是如何排布單元使得整體結構的性能指標達到最優，實際是描述設計空間中單元的有無問題（哪里需要單元，哪里不需要）。它本身只是在給定的設計空間中不斷刪除或者添加單元，但是本身并不會超出給定的設計空間，比如本例進行拓撲，最終構型不會超出L型。
形狀優化從直觀上去理解就是優化結構的外形，實現的方式是將節點位置作為基本設計變量，這樣通過節點位置的改變來實現形狀的改變，從而來或得滿足設計要求的形狀。它本身不會自主的去刪除單元，而僅僅是將作為設計變量的節點的位置進行改變，可以直觀理解為一種節點拖拽。
展開 新能源驅動電機NVH設計與優化
1 引言
在追求電機更優性能的目標時，提高功率密度一直是電機工程師重要工作之一。電機功率密度越高，意味著電機在同等重量下發揮更大的功率和扭矩輸出。
近年來，隨著新能源車驅動電機的推廣與應用，電機的NVH越來越受到消費者關注，電機NVH水平逐漸成為評價一個電機性能重要指標。研究表明，電機NVH表現與電機輸出功率和扭矩有直接關系。同一款電機，電機輸出功率越小，電機的NVH表現越好。
對于同一款電機，其動力性與NVH表現越來越成為一個矛盾點。尋找最佳平衡點，使得電機綜合性能最優，越來越成為電機設計的重要內容。
2 電機氣隙對電機性能和NVH的影響
為提高電機功率密度，在滿足加工精度、產品強度等設計要求的前提下，電機工程師偏向于設計更小的氣隙，。這主要是因為，隨著電機氣隙增大，帶來兩方面的影響：（1）氣隙增加，空氣磁導率低，磁路磁阻增大，磁力線通過能力減弱；（2）在切向結構的永磁同步電機中，轉軸側永磁體端部存在較大漏磁，氣隙長度增加，漏磁也增加。以上兩方面均會帶來電機性能的下降，即電機功率密度的降低。
然而小氣隙電機帶來了更明顯的電磁噪音，這主要是因為電機工作過程中，通過定、轉子間的電磁力作用，即切向的旋轉扭矩和徑向的電磁力，使得電機運轉起來。定、轉子間的電磁力，主要是徑向電磁力使定子產生振動而輻射噪音。通過增大氣隙，可減小氣隙磁場諧波分量，降低徑向力諧波，從而實現噪音的優化。
因此，綜合考慮輸出能力和NVH的影響，選擇合理氣隙至關重要。本文通過有限元法，仿真分析了兩種氣隙下電機性能和NVH表現，并通過試驗進行了對比驗證。
3 設計方案介紹
本文以某款永磁同步驅動電機為研究對象，電機為強制水冷，內轉子，電機最高轉速為12000rpm，電機殼體為鋁合金材料。
展開 研究與設計|抑制開關磁阻電機振動的結構設計研究
（a）靜態轉矩對比
（b）電感特性對比
圖10 靜態分析對比
5 結 語
本文使用Maxwell對SRM建模，提出了轉子內兩側開孔以及定子齒頂開槽相結合的電機結構。通過有限元仿真計算，得出最優參數，
與原始電機相比，轉矩脈動下降了16.01%，徑向力峰值下降了19.96%。新型的電機結構在保證平均輸出轉矩基本不變且略微上升的情況下，有效降低了轉矩脈動以及徑向力。
本文的結構設計對SRM結構優化具有較高的借鑒價值，仿真試驗也為SRM進一步優化設計提供了經驗。
本文發表于《
電機與控制應用
》2021年第11期。
展開 電機轉子結構自由形狀優化分析
一、項目描述：
電機轉子輕量化
其中轉子的主要工況為高速旋轉
在保證在該工況下，轉子結構強度滿足設計要求的前提下，對其結構進行形狀優化，實現輕量化設計。
二、分析概述
Objective:
優化目標
Minimize mass / minimize volum
Constraint:
約束條件
Maximum von Mises stress of the joint < 300 MPa
Design variables:
優化對象
Free-Shape
分析步驟：
1、 靜力學分析，工況建立，求解并查看分析結果，
2、 創建設計變量
3、 創建響應
4、 創建控制條件
5、 創建目標
靜力學分析工況：
高速旋轉 15000r/min，簡化為離心力
模型為3D模型，因為截面是相同的，故采用2D模型進行簡化。
模型描述
轉子結構如下圖所示：
由于整個模型截面是相同的，故簡化為2D模型進行分析。
三、分析設置步驟
Step1：靜力學分析工況
約束：旋轉中心位置
載荷：根據轉速大小，輸入離心力大小。
展開 三腔罐的結構優化，結構設計真有這么神奇嗎？
https://www.doc88.com/p-7819635638132.html
這個故事也告訴我們：
良好、合理的結構設計，比計算更為重要。
永磁同步電機、NVH、結構優化、幾何參數化建模...
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整理至一合集便于大家交流學習
永磁同步電機力波和NVH分析以及結構優化探討
時間：7月21日19:30
內容簡介：
1.概述
2.電磁力諧波原理分析
3.電磁力空間和時間諧波分析
4.電磁場力波的仿真結果分析
電磁力瀑布圖
電磁力波二維傅里葉分解的時空特性柱狀圖
5.一款永磁同步電機NVH仿真分析
加速度Campbell圖
12000rpm的振型
空間4階數的加速度和電磁力雷達圖
6.針對NVH的電磁力波結構優化方法探討
點擊報名：https://www.yqgqt.org.cn/live/10770
展開 優化軟件OPTIMUS案例—車輛前部結構優化設計(PAMCRASH、MADYMO)
在汽車碰撞性能設計中，碰撞導致假人身上產生的載荷必須要盡可能小使得結構能符合政府規定的安全標準。在本案例演示了如何使用OPTIMUS通過改變車輛前部結構（圖1）的剛度特性使得在90度側碰過程中假人身上產生的總載荷最小。OPTIMUS集成了碰撞分析的仿真工作流、驅動碰撞分析軟件、探索設計空間并優化剛度特性。
優化軟件OPTIMUS案例—車輛前部結構優化設計(PAMCRASH、MADYMO).pdf
【機械設計】機械結構優化設計之裝配工藝設計注意事項，總結的夠全夠專！
改進后的設計(圖a')可避免產生上述錯誤
(3)采用結構措施補償誤差：圖a'一對圓柱齒輪中的小齒輪比大齒輪稍加寬一些，當有裝配誤差時，仍能保證兩齒沿全齒寬嚙合，這就可在保證安裝要求前提下，降低裝配精度的要求
圖中左右兩邊的軸肩不要分別與零件2和軸承內圈的端面取齊，這樣既保證了安裝要求，也降低了機械加工精度的要求和避免裝配時的修配工作
(4)采用調整零件。如圖所示結構，在軸承外圈與軸承蓋2之間加一環狀零件1，它的厚度在裝配時根據測量結果配制，組件的軸向尺寸加工時可按自由公差，積累的軸向誤差可用零件1補償，以保證對軸承內外圈的固定要求
如圖所示是裝配精度要求較高的圓錐齒輪機構，要求兩輪的節圓錐共頂，以保證正確嚙合。因此裝配時要使兩輪能沿各自軸線有控制地移動，以便將兩輪調整到所要求的合適位置。
展開 優化設計對接3D打印助力航天結構設計
借助3D打印技術實現了新的結構設計。
3D打印模型展示
如同優化設計改變了我們日常的生活，優化設計也改變著航天器結構設計，已經有大量結構都是經過優化設計后的產物（桁架構型、復材鋪層、金屬結構拓撲、鈑金件起筋…）。
航天結構優化過程
結論
拓撲優化和參數優化是未來實現航天器結構輕質化的重要方法，同時3D打印技術的逐步實用化也將徹底改變設計受工藝制約的現狀，使設計師能夠專注于追求功能和力學性能的極致優化，從而設計出更加精美的作品。
solidThinking和3D打印技術的集成將帶來顯而易見的諸多優勢。Inspire可以提供創建載荷驅動型結構的最佳方法，并使航天行業能夠充分挖掘采用3D打印結構實現大幅減重設計的潛力。優化設計對接3D打印助力航天結構設計。
另外，solidThinking Inspire2016版本中新增的PolyNURBS功能，可在拓撲優化的基礎上快速擬合相應幾何，獲得適合用于3D打印的實體模型。目前這種技術已成功應用于衛星支架設計，非常適合構建造型復雜、適用于3D打印的結構部件設計。
通過賽前培訓、賽時實戰、賽后推廣的方式將新工具、新手段、新技術向全部設計工程師推廣，達到快速提升設計能力的目的。
【想獲得更多信息，請加技術鄰微信客服 jishulink888。
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