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。     

高速微型永磁电机转子护套过盈配合的计算与分析

通过理论计算出高速微型永磁电动机转子护套与永磁体间过盈量,确定了它们之间的配合公差,并根据计算得到的过盈量,运用ANSYS有限元分析软件对该电动机转子护套过盈进行分析研究,得到了转子护套和永磁体的应力分布云图,等效应力均小于材料的许用应力,说明该电机转子护套在高转速下能够很好地保护永磁体,同时针对不同过盈量对电动机转子护套和永磁体应力影响进行了分析,提出了过盈量最佳选取范围,为高速微型永磁电动机转子结构设计及护套与永磁体间过盈量的选取提供依据,并对同类电机转子的设计和优化有一定的参考意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高速永磁电机转子涡流损耗解析计算

高速永磁同步电机采用变频器供电含有大量谐波、频率高等特点导致转子涡流损耗升高,从而使电机温度上升,给散热带来困难,影响电机效率、永磁体性能等指标。针对表贴式高速永磁电机,推导转子涡流损耗的解析计算,该方法在极坐标系下建立物理模型,考虑气隙长度、护套、永磁体等子域,并为了提高模型的计算精度,考虑了涡流反应影响和定子的开槽效应。以一台15kW表贴式高速永磁电机为例,采用正弦波供电和PWM供电两种供电方式,分析气隙长度、槽开口宽度以及护套材料对转子涡流损耗的影响。将解析法的计算结果和有限元法结果进行比较,验证解析方法的准确性。     

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。     

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.     

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。     

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.     

多层护套结构高速永磁电机转子机械强度与损耗分析

针对表贴式高速永磁电机转子护套与永磁体之间过盈配合单一、护套内外表面上作用力跨度较大的问题,提出一种多层护套转子结构,能有效减小护套的总厚度。在满足转子机械性能的前提下,多层护套转子结构通过在每层护套之间施加适当过盈量的方法使护套整体的受力分布更加均匀,提升了护套的使用效率,因此总厚度相比单层护套更薄。为快速分析多层护套转子结构的受力情况,建立了该结构的二维应力场解析计算模型。基于解析模型提出了一种多层护套的设计方法,并用该方法对一台高速永磁电机的转子进行设计,且通过有限元分析验证了该设计方法的准确性。最后,将所设计的多层护套与原单层护套相对比,该结构的护套厚度减小了10%、转子涡流损耗减少了12.6%。     

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。     

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。     

基于磁热耦合法的高速永磁电机温升计算及其应用

针对温升计算过程中材料的温度特性对损耗产生影响的问题,利用电磁场与温度场双向耦合的分析方法,并在求解过程中计及损耗的空间分布,从而实现高速永磁电机温升的准确计算。以一台15kW表贴式高速永磁体同步电机为例,考虑电机各部件装配间隙,运用磁热耦合方法计算了电机在额定转速时的温升情况,与传统温度场加载热密度法计算结果对比,并通过温升实验验证了双向耦合计算方法的准确性。以磁热耦合研究方法为基础,对高速电机护套的选材问题进行探讨,提出在护套上加装适当厚度的铜屏蔽层来降低损耗与温升,同时分析表贴式与内置式转子结构对对电机损耗与温升的影响,为高速永磁电机转子结构设计提供可靠有效的参考依据。     

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。     

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。     

高速永磁无刷电机转子护套周向开槽的有限元分析

转子损耗造成转子局部高温是高速永磁无刷电机的主要问题之一。高速永磁无刷电机的转子损耗主要包括风摩损耗和涡流损耗,而涡流损耗主要由转子金属护套损耗和转子永磁体损耗组成。该文采用有限元的方法分析研究高速电机转子护套开周向浅槽对转子涡流损耗、风摩损耗及温升的影响;同时,分析了转子护套开槽前后的转子护套应力变化情况。通过上述分析,证明在转子护套上开周向浅槽可以有效减小高速电机转子损耗、降低转子温升,且不影响转子护套强度。