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高速永磁同步电机转子的强度分析

发布于:2016-11-19 21:12
强度分析

      高速永磁电机与相同功率的传统电机比较,其体积更小,电机相同损耗功率下的损耗密度就更大,且转子的冷却比定子更困难。为了对电机转子有效的冷却,可以对定转子间加大气隙处理。高速永磁同步电机转子可采用合金热套或者碳纤维绑扎结构,由于受碳纤维绑扎的刚度、强度、散热的限制,目前在一些成熟的机组中,如Mohawk的MiTi燃料电池透平压缩机,R&D和Honeywell的燃料电池透平压缩机,内置的高速永磁电机转子均采用合金热套结构。
      对于双层过盈配合的插入式装配转子,文献列出了转子强度分析公式,但未给出高速转子设计准则,对于三层过盈配合面的装入式装配转子(极弧系数小于1),文献用一维杆模型描述永磁体受力状况,但这种模型的精度较差。文献利用有限元分析对考虑温度下的超高速永磁转子可靠性进行分析。文献测量了高速转子表面的径向膨胀,计算结果与理论值有较大的偏差。由于在高转速和接触界面上测量应力和应变极为困难,甚至没有可行性,理论预测是一种引导高速电机转子设计经济可行的方法。本研究推导了不考虑温度影响下转子的两层过盈配合模型、三层过盈配合模型(极弧系数等于1),利用有限元方法验证了解析公式的正确性。对一台额定转速120kr/min,10kW的高速永磁同步电机转子进行了强度分析。
      永磁同步电机的转子通常采用面装式和圆柱体永磁体插入式两种结构,如图所示。其中,插入式结构采用圆柱状衫钻永磁体,内部开有光孔,平行充磁,面装式结构采用瓦片式钱铁硼,平行充磁。两种结构中,转子均为2极。保护套材料为钦合金或镍铬合金。从强度考虑,静态装配时,需要确定初始过盈量,并校核静态装配应力,进一步校核工作应力。选择圆柱坐标系建立转子强度分析模型。为方便推导,定义如下符号,如表1所示。式中待定系数Ca、由边界条件来确定。由于永磁体和保护套的材料不同,故它们的位移方程中的待定系数也不相同。令永磁体的系数为Cma保护套的系数为Csa。若求解永磁体和保护套的位移场,则需确定以上4个待定系数。转子的轴向载荷和额定转矩很小,可忽略不计,转子的应力属轴对称平面应力状态,转子存在径向和切向的应力。不考虑温度效应的情况下,微元体几何方程为面装式转子属于三层过盈配合,其应力、应变的求解可以借用两层过盈配合模型的方法。对于实际的电机转子,由于中间永磁体采用分块结构,沿径向切开,已不能用圆盘模型来描述。对于这样的永磁体,当受到径向的挤压时,它可以沿周向自由伸展。文献提出用旋转的一维杆模型描述永磁体,但没有给出有说服力的计算结果。文献研究表明,当转子带极间距时(极弧系数小于1),永磁体棱边处会有一个附加的弯曲载荷,导致永磁体棱边切进保护套使其破坏,这种结构的转子需要更加精细的理论分析或有限元计算。本研究只分析图所示结构的转子,图中pi为永磁体与保护套配合面处径向应力,p为永磁体与轴配合面处径向应力。
      该算例中电机转子的主要参数如表所示。额定转速下有限元计算结果如图所示。解析法与有限元计算结果比较如图所示。图为静态配合过盈量取15um,额定转速下插入式转子位移。永磁体外径处位移大于内径处的位移,在径向上被拉伸;保护套内径处位移大于外径处的位移,在径向上被压缩。由于保护套选用钦合金,密度约为永磁体的一半,而弹性模量与永磁体的很接近,所以保护套内层微元体所受的离心力要小于永磁体外表层微元体,使得保护套内层微元体的位移小于永磁体外层微元体。即使过盈量为0。永磁体仍会挤压保护套,与图所示的结果相吻合。如图所示,当永磁体外表面位移为0时,己经接近松脱,当转速继续增大,径向压应力可能变大甚至超过材料强度极限,所以松脱转速不应按径向压应力为0时的转速来求取。该算例中电机转子的主要参数如表所示。永磁体和保护套是脆弱部件,额定转速下,其应力云图如图所示。解析法与有限元计算结果比较如图所示。通过调整转子各参数,进行强度的优化设能计。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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