高速永磁电机转子过盈配合设计及仿真研究

永磁体不能承受电机高速运行时产生的拉应力,通常在永磁体外表面装配非导磁合金钢护套,通过过盈配合连接来保护永磁体。过盈量的选取非常重要。介绍了一种转子护套和永磁体过盈量的设计方法,通过设计实例,利用解析法计算转子护套和永磁体在静态装配、冷态运行和热态运行三种不同工况下的应力,对热套工艺参数和松脱转速进行了计算,并且进行了有限元仿真验证。对过盈配合的影响因素进行了研究,为高速永磁电机转子护套与永磁体过盈量的设计提供了依据。     

无刷电机转子预应力控制研究

本文针对高速永磁电机工况下,转子高速旋转产生的离心拉应力会损坏永磁转子的问题,基于不同的转子护套材料,对高速永磁电机转子的动态过盈量及强度进行研究.论文对两种不同合金保护套的永磁转子静态过盈量及压力进行了理论分析,根据计算的过盈量,采用接触有限元法分析比较两种护套和永磁体的应力及表面变形量.结果表明:实际测量值与理论分析值、ANSYS的仿真结果接近,能够为电机的转子护套选材提供参考.     

基于ANSYS的高速表贴式永磁电机转子强度分析

对于表贴式转子结构的高速永磁同步电机,其转子在高速运行时会承受相当大的拉应力,为保证高速电机安全稳定运行,通常会在永磁体外加一层护套,并采用过盈配合对表贴式永磁体施加预压力,该护套采用不导磁合金材料,在有效保护永磁体的同时不影响电机的磁路。首先在理论层面对表贴式高速永磁电机转子进行强度分析,然后通过ANSYS Workbench对一台24kW、20000r/min的表贴式高速永磁电机转子进行有限元仿真,对比了不同静态过盈量、合金护套厚度、材料温度特性等因素对转子强度的影响,同时校核了该模型护套及永磁体的强度,并对高速永磁电机转子机械设计规律进行了总结。     

高速表贴式永磁电机转子机械强度研究

针对高速永磁电机转子旋转产生较大的离心力的问题,对高速表贴式永磁电机转子强度进行研究,改进碳纤维保护套的转子应力分析方法。考虑到转子的实际温度与不均匀分布,建立基于温度场和应力场耦合的有限元模型,提高了转子应力计算的准确性;建立护套厚度和永磁体的装配过盈量的关系模型,基于多场考虑更加合理的选取护套厚度和过盈量;针对护套受弯曲应力的问题,提出了一种混合护套的方法。经过分析表明,混合护套可以降低护套的弯曲应力,提高转子的机械强度安全系数。     

MW级高速永磁电机转子强度敏感性分析

针对MW级高速永磁电机表贴式转子结构强度问题,以一台1.12MW、18000r/min高速永磁电机为例,建立三维转子结构有限元模型,计算极限工况下永磁体及护套的应力;以护套材料、隔磁件材料、护套厚度、护套与永磁体之间过盈量等为输入变量,转子应力计算结果作为输出变量,建立正交试验数据,采用方差分析法对转子结构强度进行敏感性分析,得出转子强度敏感性因素及影响规律.同时,对比输入变量不同水平对应力结果的影响,总结出转子结构参数及材料的选取原则.     

高速永磁电机转子强度分析与护套设计

提出一种基于二维应力解析模型的高速永磁电机转子护套最小厚度设计方法。建立转子二维应力场计算的解析模型,能够考虑各向异性材料在预应力、离心力、热应力共同作用下的应力结果。由于无法实测高速转子内部的应力,通过有限元分析对应力解析模型进行验证。分析确定了采用3种常用护套材料转子的应力极限工况,提出适用于单极限工况和多极限工况转子护套最小厚度及其对应过盈量的计算方法,并指出所适用的护套类型。针对某些永磁体热态抗拉强度不足的情况,该文通过替换边界条件对永磁体应力进行约束,得到了安全的护套方案。该方法计算速度快、准确性高、灵活性强,可应用于高速永磁电机的多场综合设计。     

高速表贴式永磁电机转子强度分析

永磁转子高速运行时,永磁体难以承受离心力引起的拉应力,因此通常在高速永磁转子外装配合金护套保护永磁体,避免永磁体的损坏。为了保证永磁转子在高转速工况下安全运行,必须对护套与永磁体进行强度计算与校核。针对高速转子细长型结构的特点,基于厚壁圆筒理论,推导了高速永磁转子的应变场、位移场和应力场的解析计算公式,并采用有限元法验证了解析计算的正确性。基于推导的解析公式,分析了静态过盈量、护套厚度、转轴材料特性对高速永磁转子强度的影响,总结了高速永磁转子的机械设计规律。以一台额定功率为15k W、额定转速为30000r/min的高速永磁电机为例,给出了高速永磁转子的强度设计方法,为高速永磁转子的机械设计提供了依据。     

高速永磁电机转子过盈方式对转子应力的影响

该文对高速永磁电机（HSPMM）转子过盈方式对转子应力的影响进行研究。首先,在二维极坐标下建立了转子各部位统一几何模型的应力场数学模型,可求解不同边界条件下转轴、永磁体和护套的径向应力和周向应力。然后,基于建立的应力场数学模型得到不同过盈方式下转子应力的解析计算方法,分析了不同过盈方式对转子应力的影响。在此基础上,提出“虚拟过盈”概念及虚拟过盈下的应力计算表达式,分析了其准确度并解释了其物理意义。最后,通过有限元（FEM）分析方法对一台额定功率为50 kW、额定转速为40 000 r/min的高速永磁电机进行分析,说明了不同的过盈方式导致转子应力的差异,验证了理论分析的合理性。     

不同保护型式下的高速表贴式永磁转子应力与温升分析

针对高速表贴式永磁转子的不同保护型式,建立了三层配合下的表贴式永磁转子应力解析计算模型,基于该解析计算模型对钛合金护套和碳纤维护套保护下的永磁转子进行设计,并通过有限元法对解析计算模型的正确性进行验证。研究了不同护套材料、过盈量、极间填充材料、温度等因素对护套等效应力的影响规律。建立了高速表贴式永磁转子涡流损耗与温升的计算模型,研究了不同护套保护措施、不同填充材料下,永磁转子涡流损耗分布与永磁体温升特性。在此基础上,完成了一台高速表贴式永磁电机的设计与制造,并进行了实验,结果证明了该文计算分析的正确性。     

超高速永磁同步电机转子护套设计分析及优化

超高速永磁同步电机(PMSM)转速较高,永磁体抗拉强度相对较小,需要在转子永磁体外设置护套并通过过盈配合使永磁体上产生径向压应力,抵消转子高速旋转时所产生的离心力,对永磁体进行保护。提出了一种超高速PMSM转子不导磁合金护套厚度及过盈量计算分析方法。以1台120 000 r/min超高速PMSM为例,运用有限元法进行温度场及转子静力学耦合仿真分析,对数值法进行验证,并通过优化设计,使电机转子在满足结构强度要求的情况下,合理计算护套的厚度及过盈量,有效降低转子护套的厚度,从而减小转子铁耗,为超高速电机转子设计提供参考。     

高速永磁电机转子工艺及护套材料选取

从高速永磁电机转子工艺角度出发,对转子磁钢固定、转子加工与动平衡、转子外径选取、永磁材料选取等方面进行了阐述.采用有限元法对比分析了钛合金护套和碳纤维复合材料护套对转子应力的影响规律,并得出相比碳纤维复合材料护套,TC4钛合金护套需更大的预制过盈量,方能保证磁钢切向拉应力不超过材料抗拉强度的结论.     

基于热固耦合的高速永磁电动机转子强度分析

表贴式永磁电动机在高速运行时,转子受到的冲击大、温度高,为了保证高温高速转子的运行强度,需要对转子进行考虑温度场的强度校核.本文基于三维温度场采用热固耦合的方法对高速永磁电动机转子强度进行分析,对比冷态与工作温度下的应力分布变化,得出高速永磁电动机必须考虑温升对转子强度影响的结论.进一步考虑过盈量、护套厚度、永磁体分段对转子热态强度的影响,得出该永磁电动机满足高速高温条件下的转子各部件尺寸,为该类高速永磁电动机的设计提供可靠依据.     

制冷离心机用高速永磁电动机转子强度设计

针对离心机用高速永磁电动机转子强度分析问题,基于弹塑性力学理论,推导了高速转子强度设计的解析表达式,给出明确的应力评判准则;同时在过盈量计算过程中,考虑温度因素影响,研究一套有效的高速转子过盈量计算和护套最小厚度计算方法。以一台额定转速40 000 r/min的永磁同步电机为分析对象,采用解析法和有限元法分别计算了合金护套、永磁体的径向应力、切向应力和等效应力,两种方法的计算结果最大偏差在2%以内,满足工程应用要求。超速试验结果表明,根据该方法设计的高速永磁转子具有足够的机械强度。     

碳纤维固定的高速分块SPMSM转子强度分析

针对碳纤维固定的高速分块表贴式永磁同步电机(SPMSM)的转子强度缺乏解析解的问题,基于平面应力模型,采用极坐标下的位移法和应力函数法,推导了考虑永磁体和极间填充块密度及热膨胀系数差异影响的转子强度解析解,并通过有限元法对解析解的准确性进行了验证。在转子强度解析解的基础上,进一步研究了转速、碳纤维护套厚度及碳纤维护套与永磁体间的过盈量等参数对转子强度的影响。结果表明:解析解和有限元法的计算结果相吻合,解析解能够计算考虑永磁体和填充块密度及热膨胀系数差异影响的碳纤维固定高速分块表贴式永磁同步电机的转子应力分布。     

高速表贴式永磁转子强度等效计算与分析

永磁体在高速运转的情况下需要通过外装护套,减少永磁体承担离心力引起的拉应力,防止永磁体损坏。针对表贴式高速永磁电机双层护套转子强度问题,根据弹性力学,推导出受温度影响的高速永磁转子强度解析公式,并且用有限元方法验证分析,结果表明两种方法结果一致,解析法能准确计算三种运行工况下非导磁金属护套、碳纤维护套、永磁体、转子铁心的应力和形变位移量。并且进一步分别研究了两种护套厚度、永磁体厚度 、铁心内径的变化对强度的影响,总结了表贴式高速永磁电机双层护套转子强度变化规律。     

航空高速起发电机转子永磁体预应力设计

航空高速起发电机在可靠性方面要求高,对于带护套的表贴式高速永磁起发电机,永磁体预应力是通过在永磁体表面过盈压装非导磁合金护套实现,因此转子结构设计时需要合理的预应力设计。本文建立一种温度补偿的航空高速起发电机转子永磁体预应力设计仿真模型。以一台最高转速55000r/min的无人机用表贴式起发电机为例,分析过盈量对永磁体静态预应力的影响,在此基础上,计算并总结转子各部分动态应力随电机转速、温度、永磁体分段等因素的变化规律,为同类型电机设计提供参考。最后对一台起动功率20kW、额定发电功率4kW、最高转速55000r/min的高速起发电机进行实验验证,证明计算结果的有效性。     

高速永磁电机转子设计与强度分析

文中介绍了高速永磁电机的设计特点，重点论述了永磁材料和转子结构型式的选取、主要尺寸的确定与转子强度的分析和计算方法。目前永磁电机多采用烧结钕铁硼永磁材料，其抗压强度较大而抗拉强度很小，永磁体难以承受转子高速旋转巨大离心力产生的拉应力，必须在永磁体外设置高强度非导磁防护套，采用过盈配合给永磁体施加一定的预压力。文中介绍了采用解析法和数值分析有限元法进行高速永磁电机转子强度分析的实用技术，并给出了对一台额定转速为60000r／min的高速电机永磁转子强度的分析计算结果。     

扁平大功率高速永磁同步电机的护套设计及其强度优化

针对扁平结构、分块式永磁体的高速永磁同步电机的碳纤维护套设计问题,给出了通用的护套参数化设计模型,能够实现护套的快速设计,并分析了护套与永磁体间的过盈量、永磁体的径向压应力、转子外径对护套设计的影响。采用三维有限元方法对转子强度的解析模型进行了验证,并结合转子温度场分析结果,针对不同温度条件下,磁极间隔导致护套弯曲应力的产生,从而威胁护套安全的问题进行了研究。对比研究了不同磁极间隔材料对护套强度的影响,得到钛合金做磁极间隔时能够有效降低护套的弯曲应力,提高护套强度。最后制作了样机,并进行了实验。     

表贴式永磁电机碳纤维护套转子强度及过盈量分析

针对表贴式永磁电机转子在高速高温状态下转子强度计算问题,提出了考虑磁钢分块结构的转子模型。基于厚壁圆筒理论推导了转子强度计算的解析解,分别计算出碳纤维护套及磁钢的切向应力和径向应力;基于有限元法分析了多种工况下的转子强度,在高速及高温工况下转子所受应力均会增加;对比解析分析结果表明,有限元法及解析法均能准确计算碳纤维护套应力,而磁钢却受到边缘效应的影响,磁钢边缘应力增大,解析分析难以进行精准计算;基于有限元法分析护套与磁钢过盈量,优化了转子结构,提出了过盈量的最优范围。     

基于有限元法的高速永磁转子强度分析

针对高速永磁电机转子圆周线速度大,旋转产生的离心应力会损坏永磁转子的问题.对高速永磁转子强度进行研究,分析表面贴式永磁转子高速稳定运行的机械务件,建立了护套过盈量与最高转速的关系模型,在护套材料各向异性和各项同性的条件下,采用接触有限元法计算和比较两种表面贴式永磁转子的转子强度;针对深埋式永磁转子,采用等效环法对应力进行解析计算,建立了铁心桥厚度与最高转速的数学关系,并基于有限元法分析深埋式永磁转子的应力分布.仿真结果表明,根据所提方法设计的高速永磁转子在最高转速运行时具有足够的机械强度.