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。     

高速内置式永磁转子强度分析与设计

针对高速内置式永磁转子表面线速度高,高速离心力易损坏隔磁桥的问题,对高速内置式永磁转子进行强度分析与设计。基于转子受力原理,推导高速内置式永磁转子强度解析计算公式,并采用有限元法验证了解析计算的正确性。为了提高高速内置式永磁转子的机械可靠性,提出采用永磁体分段的转子结构,即在转子结构中增加加强筋以分散隔磁桥所受的离心力,针对分段转子结构复杂的特点,采用有限元法分析了加强筋个数、加强筋尺寸对转子强度与漏磁特性的影响,总结了分段结构转子的设计规律。在对高速内置式永磁转子强度与电磁特性分析的基础上,设计一台额定功率15 k W、最高转速30 000 r/min的高速电机内置式永磁转子并进行了空载试验,为高速内置式永磁转子的设计提供了参考。     

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。     

磁极分段式高速轴向磁通永磁电机转子强度研究

为了满足机械强度要求,高速永磁电机通常采用径向磁通结构。随着非晶合金等新型超薄软磁材料的发展,高速高频轴向磁通永磁电机逐步引起关注。为此,针对一种适合于高速运行的磁极分段式轴向磁通永磁电机转子结构进行研究。建立了该转子结构强度解析计算模型,分别利用解析法和有限元法计算了不同极弧因数、转子轮缘宽度以及转子磁极分段数对转子机械强度的影响规律。同时研究了磁极分段式结构对轴向磁通永磁电机气隙磁密、空载反电动势、齿槽转矩和转矩密度等电磁性能的影响。结果证明采用磁极分段式结构能有效提高转子强度,相关研究工作为高速轴向磁通永磁电机的设计提供参考。     

大功率高速永磁电机的电磁设计与损耗分析

大功率高速永磁电机的损耗与温升等影响电机功率密度的提高。以500 kW、12 000 r/min高速永磁电机为例,分析了电机极对数、定子绕组形式、转子结构、永磁体等对电机性能特别是损耗的影响。采用电机的有限元仿真模型,对电机的转子结构强度、输出性能、损耗进行了分析计算。试制了样机并对相关性能进行试验验证,分析计算与试验结果均表明,电机达到了较高的技术指标要求,为高速永磁电机的优化设计提供了参考。     

表贴式高速永磁电机多场耦合转子设计

针对高速永磁电机转子设计同时受机械强度和电磁性能限制,参数选取困难的问题,基于机械强度设计、电磁设计以及转子动力学设计理论,采用有限元法,提出一套完整的基于多物理场耦合的高速永磁电机转子优化设计方法。综合考虑材料各向异性、离心力以及温度影响,分析了典型护套转子的机械强度变化规律;结合电磁性能要求,确定了最小护套厚度和永磁体厚度,并对三种护套转子的动力学特性进行分析。仿真结果表明,对于大功率高速永磁电机,比较适合采用表贴式的转子结构,而且碳纤维护套转子较其他转子具有更好的机械和转子动力学特性;通过多场耦合的设计方法得到的转子结构能够同时兼顾机械、电磁以及转子动力学特性的要求。     

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.     

无人车用高速永磁电机转子优化设计

随着车用电机高压化、高速化、高效化和高舒适性方向发展,对永磁电机的设计提出了更高的要求。本文以一台峰值功率65 kW,峰值转速9500 r/min,峰值扭矩650 Nm的车用高速轮毂永磁电机转子设计为例,对电机转子的电磁特性、传热特性与机械特性建立有限元和热路模型进行研究分析。为了提高车辆运行的舒适性,本文以转子磁路结构参数为优化参数,采用田口法对轮毂电机转子进行优化设计,在保证输出转矩不降低的情况下降低电机转脉动,优选齿槽转矩和绕组反电势THD最低的参数组合.仿真结果表明,优化前后转矩脉动降低了1.3%。针对轮毂电机大直径转子高速下转子强度问题,重点研究热态工况高速离心力作用下转子强度分析。该研究对于重载无人车用高速永磁电机设计具有理论指导意义。     

燃料电池空压机电机转子结构研究

针对燃料电池空压机高速电机转子易因高速失稳而损坏、因转子过重而导致空气轴承加速磨损的问题，使用有限元法对不同转子结构的转子应力和临界转速进行了研究，提出了一种轴向预紧固定磁钢的空心转子结构。以一台额定功率35 kW，峰值转速100 000 r/min的超高速永磁电机为例，综合对比分析了不同转子结构在转子强度、临界转速、质量、转动惯量、装配工艺性以及可靠性等方面的优缺点。对比结果表明，虽然新转子结构在转子强度上稍差于几种常见转子结构，但在其他方面均具有优异的特性。最后，根据新转子结构制作了空压机样机，试验结果表明，该样机可以在100 000 r/min转速下稳定运行，验证了新转子结构设计的合理性。     

高速永磁同步电机转子强度分析

为了对转子进行有效的冷却,在满足电机电磁性能的前提下,可通过减小保护套的厚度来尽可能增大定转子之间的气隙,因而必须对保护套和永磁体进行强度校核。将转子受力状况简化为平面应变问题,在此基础上推导出了两层过盈配合、三层过盈配合转子的应力场、应变场、位移场的解析公式,并利用有限元方法验证了解析公式的正确性。归纳了高速情况下热套式永磁转子强度设计准则,为转子的优化设计提供了理论依据。以一台额定转速120 kr/min、10 kW的高速永磁同步电机为例,给出了两种常用过盈配合高速电机转子的强度设计方法。     

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。     

基于强度和磁密的永磁电机转子结构优化

永磁电机转子作为储能飞轮的核心部件,需要具有较高的磁性能同时要满足材料结构强度要求。本文针对此问题,采用了综合评分法来衡量电机转子的电磁特性和力学特性。通过五因素四水平16项组合的优化方案,调整电机转子铁心结构参数,求出了因素主次顺序和最优组合。试验结果表明,在电机气隙磁密的基波幅值不变的情况下,转子最大应力值由原来的407.8 MPa,降低到了325.9 MPa,安全系数达到了1.227倍,满足了电机转子强度的设计要求。本研究提出了一种基于强度和气隙磁密的永磁电机转子结构优化方法,通过综合评分法实现了电机转子的气隙磁密的基波幅值与最大应力的综合指标的最优化。该方法可以解决大功率储能飞轮高速电机转子结构强度问题,提供了理论方法解决方案。     

考虑轴间填充物的高速永磁电机转子强度分析

针对表贴式高速永磁电机在高速高温工况下的转子强度分析问题,提出考虑轴间填充物的电机转子结构模型。基于厚壁圆筒经典理论进行转子强度的解析分析,推导出各部分统一的解析表达式,从而得出各部分的切向应力和径向应力,并与有限元应力分析结果相比较,发现两者计算结果相近,验证了解析法的正确性。永磁体切向应力偏大是高速永磁电机损坏的关键因素之一,与未考虑轴间填充物电机转子结构的模型相比,考虑轴间填充物的电机转子结构模型的永磁体切向应力偏小6.1%,而其他区域的应力相差较小。基于轴间填充物的转子结构模型为表贴式高速永磁电机转子热态强度分析提供了一种新的思路。     

永磁体与护套分段结构的高速电机转子强度及动力学研究

针对护套和永磁体轴向分段设计导致的强度和动力学方面的问题，以一台额定功率150 kW、额定转速30 000 r/min的高速永磁电机为研究对象，基于厚壁圆筒理论建立强度仿真模型，采用解析法和有限元法对护套轴向分段结构的转子应力分布规律和护套分段数对转子强度的影响规律进行研究，并以厚壁圆筒理论验证规律的合理性；建立转子系统动力学仿真模型，以有限元法研究永磁体和护套分段数对临界转速、不平衡响应的影响规律。结果表明，护套轴向分段提高了永磁体局部最大轴向应力和切向应力。永磁体轴向分段降低了转子各阶临界转速，尤其对采用刚度等级较高轴承的转子影响较大，同时升高了转子振幅。为高速永磁电机护套和永磁体轴向分段设计提供了强度和动力学方面的参考。     

永磁电机转子强度接触有限元分析

永磁电机转子强度计算的难点在于电磁场产生的电磁力与边界接触力的耦合作用的计算.本文应用有限元分析软件Ansys,通过二维电磁-结构耦合场对永磁电机转子强度进行求解,获得了在计及电磁耦合作用条件下的永磁电动机转子强度计算结果,并得出了电机转子的应力分布情况,为此类电机设计提供了参考.     

1430kW永磁同步牵引电机转子冲片强度分析

转子冲片强度满足要求是保证电机安全运行的关键.运用有限元法对客运机车用1430 kW永磁同步牵引电机的转子冲片强度进行数值仿真与分析,采用不同加载方式计算对比,建立在永磁同步牵引电机设计初期更合理的转子冲片强度分析方法,并通过调整隔磁桥厚度和隔磁桥与极中心线间夹角θ对转子冲片结构进行优化,改善了电机转子冲片的应力水平.     

高速永磁电机设计与分析技术综述

高速永磁电机在航空航天、能源及精密制造等领域具有广阔的应用前景。该文首先介绍了现有文献中的高速永磁电机定转子结构及其所使用的材料;然后从定子铁耗、铜耗、转子涡流损耗与风摩损耗等方面,分别总结归纳了电机中各项损耗及其计算方法;对比分析了各种高速永磁电机温升计算方法;概述了高速电机转子支承方式的发展情况。总结了转子强度与动力学分析相关的问题,最后展望高速永磁电机相关技术的主要发展方向。     

氢燃料电池空压机用超高速永磁电机设计

氢燃料电池无油离心空压机通常采用超高速永磁电机作为动力驱动,与同功率低速电机相比,超高速永磁电机主要面临转子强度、临界转速、损耗温升、热管理等系列问题,为此采用多物理场分析方法对一台22 kW/95 000 r·min^-1空气动压箔片轴承超高速永磁电机进行了分析计算。首先,根据转子强度及转子动力学要求初步确定了电机转子尺寸,应用磁路法完成了电磁设计;其次,根据燃料电池空压机的整体要求建立了超高速永磁电机结构,完成了转子强度、转子临界转速及超高速永磁电机热特性分析;最后,试制样机实现了22 kW/95 000 r·min^-1稳定运行。仿真分析和试验数据表明：所设计的超高速永磁电机能够满足氢燃料电池空压机的整机要求,为后续系列化电机开发与优化设计提供了参考。     

储能飞轮用大功率高速永磁同步电机电磁设计

储能飞轮用高速电机的工作状态包括电动机、发电机及空载三种。提高储能飞轮的能量转换效率、降低电机在各种运行状态的损耗成为其电磁设计的主要任务。从工程应用的角度,对储能飞轮用大功率高速永磁同步电机的绕组损耗、铁心损耗及涡流损耗进行了分析,重点分析了定转子间隙对转子构件涡流损耗的影响,同时提出了一种阶梯式转子永磁体结构,可满足永磁同步电机(PMSM)对空载反电动势的低谐波要求,并提出了转子护套材料的选取原则。最后通过一个算例介绍了电机的设计分析及性能参数的计算。     

一种新型永磁电机转子结构的对比分析

随着永磁电机的大量投产,逐渐暴露了永磁电机最大最致命缺点—成本过高,这个缺点限制着永磁电机的未来。现在有一种新型永磁电机转子结构可以降低成本,解决掉永磁电机出现的缺点。现以710kW-6极10kV永磁电机为例,利用Ansot软件,同时对永磁电机的传统转子结构和新型转子结构进行仿真分析,充分了解磁路结构的差异性,证明这种新型永磁电机转子结构能够节省成本。