高速永磁无刷电机转子轴动力学特性及其结构优化.docx

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高速永磁无刷电机转子轴动力学特性及其结构优化

摘要

所谓的电机是一种能够把电机产生的电能迅速转化为机械能的设备。

而传统所用的电机主要是指常规永磁电机所言，这种电机性能不好，容易受损和饱和，其定位力矩和启动都存在明显的问题。

而高速永磁无刷电机目前应用广泛，而且已经越来越成为国际电工领域研究的热点，也在航空、电工、化工、医学、军工等各个行业得到追捧。

特别对那些对电机质量和技术要求高的行业如航天和军事领域，对高速电机的要求更加严格。

从起源来看，高速永磁无刷电机最早开始于日本，目前日本几乎百分之九十以上的生产生活电机都是使用这种新型电机。

不仅可以节约能源，而且如果大规模使用这种电机还可以减少对环境的污染，起到一定的环保作用，这可以说是一种新型而理想的电机。

虽说高速永磁无刷电机在欧美日等发达国家已经得到普遍的推广，但是由于其高技术含量和高难度的控制性，目前还无法进行大规模投产使用，其目前使用范围仅限于那些高端的行业如航空和军事等方面。

本文采用理论建模和有限元仿真相结合的方法，通过对高速永磁无刷电机的动力学特性和工作原理进行研究分析，并提出对其结构优化的认识，建立高速永磁无刷电机转子系统动力学数学模型。

关键词：

高速电机；永磁；动力学特性；结构优化

Abstract

Themotorisakindoftobeabletoproducetheelectricalenergyintomechanicalenergyequipmentquickly.Andusedinthetraditionalmotormainlyreferstotheconventionalpermanentmagnetmotor,themotorperformanceisnotgood,easytodamageandsaturated,torqueanditspositioningstartthereareobviousproblems.Andhighspeedbrushlesspermanentmagnetmotoriswidelyused,andhasincreasinglybecometheinternationalresearchhotspotinelectricalengineering,alsointheaviation,electrical,chemical,medical,militaryandotherindustriesgetpopular.Especiallyforthosehighqualityandtechnicalrequirementsofmotorindustriessuchasaerospaceandmilitaryfields,morestrictlytotherequirementsofhigh-speedmotor.Inadditionwiththeimprovementofnationalrequirementsfortheenvironment,thetraditionalmotorisbiggerandthesideeffectsofpollutiontotheenvironmenttobebeingwashedoutgradually,becauseofitsefficientlowconsumptionandhighspeedmotorperformanceisquickresearchanddevelopment.

Fromthepointoforigin,thefirsthighspeedbrushlesspermanentmagnetmotorstartedinJapan,Japanalmostmorethanninetypercentofthemotoristheuseofthisnewtypeofproductionandlife.Notonlycansaveenergy,butifthemassuseofthemotorcanalsoreducepollutiontotheenvironment,havecertainenvironmentaleffect,itisanewandidealofthemotor.ThoughhighspeedbrushlesspermanentmagnetmotorinEuropeandtheUnitedStates,andotherdevelopedcountrieshasbeenwidelypromoted,butduetoitshightechnologycontentanddifficultcontrol,itiscan'tbeusedforlarge-scaleproduction,itsusescopeislimitedtothosehigh-endindustriessuchasaviationandmilitaryaspectsandsoon.Thus,forthistypeofmotoryenji,isstillinitsearlystages,stillneedfurtherdiscussionandresearch.

Thisarticleadoptsthemethodofcombiningthetheoreticalmodelingandfiniteelementsimulation,basedonhighspeedbrushlesspermanentmagnetmotorthroughanalyzingthedynamiccharacteristicsandworkingprinciple,andputforwardtheunderstandingofthestructureoptimization,high-speeddynamicmathematicalmodelofpermanentmagnetbrushlessmotorrotorsystem.

Keywords:

Highspeedmotor;Thepermanentmagnet；Dynamiccharacteristics；Structureoptimization

目录

摘要I

AbstractIV

第一章绪论7

1.1选题研究的背景及意义7

1.2选题研究的现状10

1.3高速永磁无刷电机的系统发展现状14

1.4选题研究的内容、目的及方法15

1.5论文框架17

第二章高速永磁无刷电机的本体结构与工作原理19

2.1高速永磁无刷直流电机的设计要求19

2.2高速永磁无刷直流电机的本体结构21

2.3高速永磁无刷直流电机的工作原理22

2.4高速永磁无刷直流电机的重要尺寸23

第三章高速永磁无刷电机的材料构成与动力学特性分析25

3.1高速永磁无刷电机的材料构成25

3.2高速永磁无刷电机的动力学特性分析28

第四章有限元模式分析下的高速永磁无刷电机的转子强度33

4.1有限元法介绍33

4.2有限元的求解方法36

4.3有限元模型及应力分析38

4.4高速电机的转子结构及强度计算41

第五章高速永磁电机的转子优化设计46

5.1高速电机的转子优化内容46

5.2高速电机的优化设计的相关方法47

5.3优化设计中对约束条件的确定49

第六章总结51

致谢54

参考文献56

第一章绪论

1.1选题研究的背景及意义

1.1.1选题的背景

自80年代中国的改革开放起，至今中国已经走过了三十多个年头。

在全球经济放缓，气候和环境问题日益突出的今天，对经济结构的调整和转型已经提出了新的要求。

各国对低碳经济的发展模式开始逐渐重视，在全球的经济竞争中，谁能够掌握低碳经济的发展窍门就能够处于有利的发展地位，由此可见，这已经成为新一轮的经济增长点。

在这种背景之下，我国的各大产业也在此调结构的压力下开始迈出重要的步伐。

而无论是在高端产业、新能源产业还是其他的制造业，要想推进其经济结构的调整，就需要在设备的动力系统上进行更新换代，因为，传统的动力系统不仅需要消耗大量的能量，而且会产生大量的污染，这对低碳经济的发展构成严重的威胁，所以，调结构首先要调整动力系统，而在动力系统中，最具有影响力的就是电动机这个设备。

所谓的电动机，简称电机。

它是一种能够把电机产生的电能迅速转化为机械能的设备。

但是传统所用的电机主要是指常规永磁电机所言，这种电机性能不好，容易受损和饱和，其定位力矩和启动都存在明显的问题。

而高速永磁无刷电机目前应用广泛，而且已经越来越成为国际电工领域研究的热点，也在航空、电工、化工、医学、军工等各个行业得到追捧。

特别对那些对电机质量和技术要求高的行业如航天和军事领域，对高速电机的要求更加严格。

从起源来看，高速永磁无刷电机最早开始于日本，目前日本几乎百分之九十以上的生产生活电机都是使用这种新型电机。

不仅可以节约能源，而且如果大规模使用这种电机还可以减少对环境的污染，起到一定的环保作用，这可以说是一种新型而理想的电机。

虽说高速永磁无刷电机在欧美日等发达国家已经得到普遍的推广，但是由于其高技术含量和高难度的控制性，目前还无法进行大规模投产使用，其目前使用范围仅限于那些高端的行业如航空和军事等方面。

但是，随着各国对高效节能产业、高端装备制造业、新能源发电产业等产业领域的日益重视,以及电机、控制、电力电子、材料等诸多学科的蓬勃发展,应用高效、节能、高功率密度的高速电机作为主驱动力或能量传递部件的产品日益增多。

[1]由此可见，对电机的研究和设计都将深刻的影响到未来各个产业的发展。

目前，从整个社会的行业来看，小到家用的电器如电风扇、空调等，大到国家的军用设备如飞机、坦克，甚至在航天领域的飞船、火箭等，都需要用到电动机作为驱动力系统。

没有电动机，所有这一切都无法运转，这就意味着如果没有电动机，那么整个社会将陷入静止状态，无法正常的运转，由此可见电动机对国家、对社会的发展的至关重要性。

正如所言：

“可以说电动机在整个社会的发展变化过程中在各个方面都起到至关重要的作用。

”[2]所以，今天我们重视电动机的发展未来是十分有价值和意义的。

因为，只有抓住这个发展的关键点，才能够推动社会的往前。

我国在电动机的制造方面发展比较滞后，最早开始于上世纪初，随着改革开放的深入和国际科技行业的推动，目前我国的电动机制造行业有了相当的规模和成熟的技术，开始带动了产业经济的发展效益，成为一种新兴的发展动力点。

目前在销售上，我国单在电动机制造业这方面就有着百分之三十的年收入增长趋势。

除了在生产的数量上，我国的电机制造业还在质量上开始有所突破和创建。

开始向建立自身的品牌进发。

因为作为电动机这个关键环节，如果仅仅依靠外国技术的提供，那么我国的高端行业以及非常重要的制造行业永远将受制于人，而只有拥有自己设计和创造的电动机，才可能发展出属于本国所有的制造业，才有可能在全球竞争中处于有利的地位。

而电机系统比较复杂，涉及到控制器、电动机、从动装置、传动装置以及其他部件等,是一个涉及多学科、多专业、多领域的复杂系统。

随着该行业的前景越来越好，国家也开始了对这种高效能产品的大力扶持，这也给高效能的电机制造带来新的发展机遇。

永磁无刷电机有两种，分别是永磁同步电机和永磁无刷直流电机。

由于二者具有高度相似的电机本体和驱动结构，所以对这两种电机统称为永磁无刷电机。

但是相比而言，同步电机会产生失步现象，所以，通常选用无刷直流电机。

因为其转速最高可达20000r/min,甚至可以达到30000一400O0r/min。

[3]而高速永磁无刷电机的产生就是科学技术发展带来的结果，高速永磁无刷直流电机如下图1.1所示：

1.1.2选题的意义

目前，我国的电动机开发和研究技术与西方发达国家的技术有很大额差距。

这种差距主要有几方面的体现：

首先，我国能够开发出的电主轴电机转速不高，与日英的最高转速300000r/min相比，我国这方面的差距还是非常大的。

除了这个转速，我国的设备在变频器、频率等方面也是比较落后的。

由此导致我国的很多设备只能选用进口。

这在技术上受制于人。

所以在经济收益上，我国也无法享受到核心技术带来的创收，还处在低端效益之中。

其次，在统一的标准上面，我国在这方面的行业规定也存在缺失。

虽然都有各种类型的高速电主轴的产品的产生，但是相关制造商各自为政，各自拥有自己的标准，国家在这方面并无统一规定，造成很多的资源浪费，也产生不良的竞争。

再者，我国在关键零部件上的制造技术一直以来都是比较落后的，而电机技术的关键部位和工序都是属于高端性质的研发，我国在这方面的技术尤为不足。

虽然说，随着我国改革开放的深入发展，我国已经成为世界的制造业大国，甚至已经成为世界第二大经济体。

许多西方国家都在消费中国制造的商品，表面看起来，我国的经济体量和效益都已经有了大国的感觉，但是，在核心技术和关键零件的研发上面，我国几乎是处于空白，这一切都垄断在西方国家手中。

由此看来，我国虽有制造业大国之名，但在核心技术上却无此之实际。

所以，如果能够在研发高速永磁无刷电动机上面做足文章，投入精力，相信这对我国的超高速电主轴的开发具有推动性的作用。

另外，在自然能源方面，虽说我国的石油天然气藏量丰富，但由于分布不均和人口分布不平衡等诸多因素的限制，这些都导致了我国在能源建设上面临的瓶颈问题。

随着蓄能电站、风能发电站、核电站等多种形态的电站的建设开发，对发电机就提出了诸多的要求，从这个角度来看未来我国的电动机市场将是非常的庞大，其存在的市场价值也是巨大的。

而在国家的战略建设上，目前各个国家对外太空的争夺竞争，对新型能源的设计研发以及对许多高端武器的开发研究，这些都意在加强国家的国防建设和具有长远的战略考量。

如果我国在电动机的领域未能有所突破，那么我国的制造业关键行业将始终受制于人，因此从战略角度来看，这电动机的建设也是刻不容缓的。

从以上的分析种可以看到，无论是从市场价值还是从国家的战略发展的角度来看，重视和发展研究高速永磁无刷电机的意义都是十分重要的。

它既可以创造出更大的市场价值，使得我国的市场不受制于人，可以发展独立的工业系统和航天军事系统，从国家战略来说，也可以拥有自主产权性较强的电动机技术，这对我国的发展尤为重要。

1.2选题研究的现状

在笔者对相关文献的检索和查询之下，发现总体上目前关于这类的选题还比较缺少扎实的研究材料。

而对此进行的相关研究倒是有一些比例。

特别是随着这个问题受关注的程度越来越高，对它的研究就开始越发的重要起来。

我国学术界对高速永磁无刷电机的设计与研究工作起始于20世纪70年代末，最早的当属东北的沈阳工业大学于20世纪八十年代成功研制出了一个三千瓦、四极、每分钟两万转的高速稀土钴永磁高速同步发电机，这款发电机主要用于太阳能发电使用，效率超过百分之九十，是一款比较成功的研究；紧接着就是1982年的西北工业大学成功研制出的1.2kw、4极、12000r/min的高速稀土永磁同步发电机，这个发电机主要用于航空，效能接近百分之九十。

[4]与国外的研究相比我国对高速电机转子的结构研究方面才刚刚起步。

李冰，邓智全等三人在《高速异步电机设计的关键技术》[5]一文中主要探讨了这方面技术存在的问题，王凤翔在其文《高速电机的设计特点及相关技术研究》[6]中围绕这一电机分析了其结构、以及其他部件的运转情况，如转子强度等，并且为我们介绍了磁悬浮轴承的结构原理等方法，可谓是对高速电机做了一个非常完整的阐述，这在我国学术界尚属首例，意义十分重大。

李丽阳，于海艳，姚大坤.三人在文章《100MW空冷汽轮发电机护环强度分析》[7]一文中主要围绕一台具体的电机进行强度上的分析，内容具体细微，比具有直观性感受。

丁智平，刘义伦等人在《燃气涡流转子盘－片系统三维非线性循环应力－应变分析》[8]-[10]一文中主要是对燃气轮机进行分析，具有很强的针对性。

王匀，刘全坤，黄婷等[11]-[14]人则从有限元的方法对一些装配问题进行理论分析，理论性比较强。

以上这些研究主要是围绕着高速电机本身或者是电机内部的一些主要结构进行研究，既有微观层面，也有宏观一面的研究，这些研究对提升高速电机的研发和设计都具有一定的理论意义。

转子动力学的研究，最早可追溯到十九世纪六十年代。

一个多世纪以来，随着大工业的发展，转子系统被广泛地应用于包括燃气轮机、航空发动机、工业压缩机等机械装置中，在电力、航空、机械、化工、纺织等领域中起着非常重要的作用。

转子动力学是研究轴向对称结构的旋转过程振动行为的一门科学。

例如在发动机、电机转子、光盘驱动器和涡轮机这些设备。

通过研究惯性对结构的影响可以改进设计并且可以降低失效的概率。

目前，机器向高速、大功率方向发展，工程应用过程中需要准确预测转子的行为，因而，转子动力学有着极强的工程应用背景，其相关的研究工作也越来越受到人们的重视。

而对本文所涉及的转子动力特性这方面的微观研究，也有一些学者有详细的阐述。

如我国著名学者何衍宗,王正等人所著的《转子动力学》[15]一书，就详细对高速电机的转子轴承这方面有具体而细微的结构分析和计算，其内容比较系统完整。

与这类著作相似的还有顾家柳,夏松波等编的《高等转子动力学——理论、技术与应用》[16]一书，和刘恒等著的《轴承－转子动力学》[17]一书，这三本书可谓异曲同工，都是从轴承的角度来深入系统的分析转子各种临界转速、振型等各种计算方法，具有很强的实践应用性，是研究这方面的权威代表。

另外还有王正在《Riccati传递矩阵法的奇点及其消除方法.振动与冲击》[18]一文中提出了独特的消除奇点的方法，让人耳目一新，而于慎波在运用双重步QR等方法来解决丢根等问题[19]。

其内容严谨，方法可靠，为转子学的研究提供了很好的研究视角。

除此之外，还有肖黎,张咏梅的《大型水轮发电机组横向振动的有限元分析》[20]一文，在计算模型和升速试验等方面为我们做出了有益的探讨和研究。

我国对非线性转子动力学的系统研究是从上世纪90年代开始的，其中孟光、陈予恕都做较深入的研究。

黄文虎发表了非线性转子动力学综述，较全面地总结了国内外研究非线性转子动力学的有关文章，包括非线性转子动力学研究方法、数值积分方法、高维非线性动力学问题的降维求解、转子非线性动力学机理及实验研究等。

近几年有关转子非线性动力学的研究也很热，荆建平用有限元法与Newmark方法相结合分析不平衡条件下转子轴承系统的动态响应，与模态叠加法比较表明模态叠加法更多的模态被缩减产生误差，直接积分方法更精确实用。

另外，在我国各大高校的研究中，也有许多的硕博士论文涉及到高速永磁电机这一领域，沈阳工业大学王天煜在他的博士论文《高速永磁电机转子综合设计方法及动力学特性的研究》中就从六个方面来研究这一问题。

作者针对高速电机中的三个重要的部分进行深入的分析，他从转子的强度、动力学特性和转子的结构综合设计入手，对高速电机的运转中关键的地方进行论析。

同时作者还利用有限元非线性接触方法建立起了护套和永磁体轴对称的模型，最后还对高速电机进行了实验性的研究，可以理论与实践相结合进行，可靠性较高。

另有浙江大学的郝鹤，他在博士论文《高速永磁无刷电机多场综合分析及无位置传感器控制》中，以表贴式的高速电机作为研究对象，对主要影响该电机的几大因素进行展开研究。

其中包括定子裂比、永磁体材料的选择和转子结构形式等方面，以多场交叉分析法进行分析，文章最后设计制造了样机系统，并对其进行实验论证，结果稳定可靠。

以上两篇的博士论文都受到不同程度的国家自然资金的支持，因此实用性较强。

另外几篇的硕士论文有沈阳工业大学王兴佳的《永磁高速无刷直流电动机设计与分析》、大连理工大学曲准德的《高速永磁无刷电动机的设计研究》、沈阳工业大学方程的《高速永磁电机转子特性分析及结构优化设计》、广东工业大学肖江成的硕士论文《超高速永磁无刷直流电机的设计与分析》都是围绕着各自特定的高速电机进行相关的设计与分析研究。

主要是从电机的关键环节和结构特性进行分析。

但是由于文章理论水平有限，所以未能提出一个比较有创建的研究结果。

总体上而言，以上这些论文的确能够一定程度上帮助我们在高速电机的研发和设计上做出一定的学理贡献。

但是，由于对高速电机的研究是一个系统且复杂，需要大量的资金、物力和人力的投入才会稍微有些突破性的进展，更是需要长时间的投入。

所以不是一两篇文章就可以有什么重要贡献的。

从这个角度看，也就不会对这些文章太过苛求。

但是他们确实为我国的高速电机的学理性研究作出了自己的努力和奋斗，这种精神是值得肯定的，通过以上的简要回顾，我们就会发现，我国注重发展高速电机具有重要的现实意义和理论意义。

因此研究永磁无刷电机是十分必要的,同时设备上的电机因为转速要求很高,因此研究高速永磁无刷电机也是极其重要的。

从目前的发展看,永磁无刷电机已经在所有电机中脱颖而出,其优良的特性已经征服了所有电机使用者。

当然，我国在高速电机的设计技术瓶颈方面还存在着三方面的问题：

一是对电机本体的设计，我国研究明显不足，很多产品不符合使用要求，二是对电机的控制技术有明显的缺乏，三是即使设计出电机后，也无法量化生产，没有具备这种生产条件。

虽然，在改革开放的几十年发展中，我国的机床技术已经有成熟的进展，但是总体上看，我国的这方面的基础技术仍然比较落后，还无法满足国家高速发展的技术要求，因此对高速永磁无刷电机的深入研发是具有十分重要的时代意义。

本文正是着眼于这个历史需要和时代价值，在前人的大量的研究基础上，试图对这一问题进行探讨，以期能够对高速永磁无刷电机转子轴动力学特性及其结构优化提出一些可取的建议和方法，为我国的高速永磁无刷电机的研究作出一点努力。

如瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院研制出高速热发电机,功率为110kw,转速为70000r/min[21]其中的转子结构如图1.2所示：

1.3高速永磁无刷电机的系统发展现状

在高科技的带领下，计算机的发展技术已经越来越成熟和高端，并发展出了电磁场数值计算法和许多的优化设计的方法。

这些方法都在被不断的运用到电机的制造中。

目前，在电机方面，已经有了一套比较成熟可靠的分析研究方法，其内容主要包括了电磁场数值计算、等效磁路解析求解以及场路结合等方式。

它们在计算机的辅助作用下就能够起到很好的计算效果。

如Ansoft公司、MagneForce公司、Jmag公司均推出各种类型的电机设计软件，以方便快捷地完成从电机的电磁设计计算、损耗计算、优化设计、噪声抑制、特性分析等。

针对无刷电机特点，提供多种转子类型、多种绕组型式及主电路的连接方式，以便组合。

以上这些新兴的软件不仅能够把电磁的设计应用在电机的设计中，而且对电机的槽型、材料等许多的变量都有很大的帮助。

通过精确计算电磁场能够实现电机的优化设计，这种优化包括了对电路的控制等各种设计流程。

既可以提供任意时刻电机内电磁场分布数据，又能对电机工作时所关心的各类运行曲线，如转矩、转速、电流、功率、效率等提供结果，同时还能提供齿槽转矩、转矩脉动、转速波动等详细指标参数，并可完成电机的各类正常工况和故障工况的仿真实验，包括起动、堵转、突加突减负载、突然短路等等。

目前在电机的结构设计中，开始大量的运用所谓的分数槽绕组技术