电机机座尺寸优化：OptiStruct技术引领

电机的机座是电机整体上最重要的结构部件，它起着支撑、保护、作为通风结构等多种作用。现在国内各电机制造厂在电机的机座设计时一般都是参考已有产品结构进行变形设计。这种方法虽然方便但不够精确，不能最好的利用有效材料，可能会造成部分结构应力集中，影响电机使用寿命等不良后果。

本文将围绕电机机座进行尺寸优化，在满足功能目标的前提下实现结构最优、重量最轻。

电机机座由机座本体、定子、转子、轴、端盖、轴承等组成，其几何模型如图1所示：

图1 电机机座几何模型

考虑到几何模型中的定子和转子结构较复杂，因此，对电机机座模型进行简化，保留机座、轴、前后端盖、内部肋板等，有限元模型如图2所示，网格大小为8.0mm，网络类型为六面体。

图2 电机机座有限元模型

边界条件为电机机座底部4个孔固定约束。

电机机座模态分析加载定子、转子、风机和接线盒质量。

电机机座静强度分析载荷为定子、转子、轴、前后端盖、风机和接线盒质量（为后续尺寸优化做准备）。

电机机座前四阶模态如图3所示：

图3 电机机座前4阶模态

由图3可以看出，电机机座一阶模态为78.1Hz,远远的避开了电机电源的激励频率50Hz，因此，一阶模态存在很大的优化空间。

电机机座的静刚度及强度结果如图4所示：

图4 电机机座静刚度及强度

由图4可以看出，机座的最大位移=0.078mm，最大应力为32.6MPa，远远低于材料屈服强度，因此，电机机座静刚度及强度存在很大的优化空间。

本次优化为尺寸优化，主要考虑电机机座各个部分料厚的最优分配，采用Altair HyperWorks中的OptiStruct进行优化分析。

因此，网格模型采用中面四边形，单元尺寸大小为5.0mm。

电机机座尺寸优化中面网格模型如图5所示：

图5 电机机座尺寸优化中面网格模型

本次尺寸优化的部件如图6所示：

图6 电机机座尺寸优化部件

各个优化部件的尺寸及上下限值如表1所示，单位为mm。

材料屈服强度为235MPa，取安全系数为1.5，则最大应力上限值Max stress=157MPa。整体最大位移Max displacement=1.0mm。第一阶频率>54Hz。

首先，定义设计变量，并关联其厚度属性，如图7所示：

图7 设计变量，并关联其厚度属性

优化后的模态、刚度、强度如图11所示：

图11 优化后的模态、刚度、强度云图

由图11可知，优化的结果满足目标要求。

优化的料厚分布如图12所示：

图12 优化后的料厚分布

迭代目标图，如图13所示：

图13 迭代目标图

由图13可知，总质量由1.279t减至0.668t，重量降低47.8%。

采用尺寸优化可最大限度的得到产品料厚分布最优化，重量最轻。

尺寸优化还可以定义相关部件料厚一致等，本文分析没有考虑厚度尺寸的离散化，因此得到的料厚保留了3为小数，这在实际加工过程中是不允许的，因此，后续优化须考虑厚度尺寸的离散化，增量为0.1mm，保证产品的可制造性。    

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