高速永磁电机转子设计与强度分析.docx

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高速永磁电机转子设计与强度分析

　万方数据

第15期王继强等:

高速永磁电机转子设计与强度分析141

筹考虑电磁和机械两方面的要求,即永磁转子需要为定子绕组提供足够强的旋转磁场,同时永磁转子本身又要能承受高速旋转产生的巨大离心力。

由于离心力与旋转速度的平方成正比,即与转子半径的平方成正比,为了减少离心力,转子外径应尽可能地小。

然而,由于下述原因,转子外径不能太小:

（1为了产生需要的电磁转矩和输出功率,转子应该有足够的空间安装永磁体,而定子必须有足够大的空间安放铁心和绕组。

（2转子应具有足够的刚度,因而转子不能过于细长,直径与长度需要有一个合适的比例。

2.2电机极数的选取

高速电机的极数较少,一般采用2极或4极。

2极电机便于永磁体采用整体结构,以保证永磁转子机械和电磁性能的对称性。

同时2极电机定子铁心磁场和绕组电流的频率仅为4极电机的一半,有利于减少电机定子的铁耗和铜耗。

2极电机的主要缺点是定子绕组的端部较长,同时所需要的定子铁心轭部面积较大。

从电磁和机械两个方面综合考虑,特别是从转子结构设计来看,采用2极方案比较有利。

2.3永磁材料的选择

永磁体材料的性能在一定程度上决定了高速电机的尺寸和性能。

选择永磁材料时需要考虑:

（1为了提高电机的力能密度和效率,应该选用剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积较大的永磁材料。

（2永磁材料的退磁曲线在允许工作温度范围内应该呈线性变化。

为了保证永磁转子工作温度不超过永磁体的退磁温度,应选用耐高温的永磁材料。

由于永磁转子承受巨大的离心力,永磁材料的机械性能也是选择时需要考虑的问题。

综合技术要求和材料成本,目前在高速永磁电机设计中,多选用耐高温的烧结钕铁硼永磁材料。

2.4永磁体的保护

烧结钕铁硼是一种类似于粉末冶金的永磁材料,能承受较大的压应力（1000MPa,但不能承受大的拉应力,其抗拉强度一般低于抗压强度的十分之一（<80MPa。

如果没有保护措施,永磁体无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力【3J。

保护永磁体的方法之一,是在永磁体外面加一高强度非导磁保护套,永磁体与护套问采用过盈配合。

另外一种保护方法是用采用碳纤维绑扎永磁体。

与采用非导磁钢保护套相比,碳纤维绑扎带的厚度要小,而且不产生高频涡流损耗。

然而,碳纤维是热的不良导体,不利于永磁转子的散热【3’6,8】。

2.5永磁转子的总体结构

基于上述诸方面考虑,本文采用了外加保护套的高速电机永磁转子结构型式,如图1所示。

图1一种高速永磁电机转子结构示意图

Fig.1A

mtorst邝ctIl№ofhiglIspeed

pe珊anentmagnetmachine

高速电机采用2极结构。

永磁材料选用耐高温（工作温度耋180℃高性能烧结钕铁硼。

永磁体采用整体结构,以保证电磁与机械特性的对称性。

永磁转子的直径和长度,根据电机的额定转速和功率,经过对电磁和机械性能的优化设计后确定。

3转子强度分析

3.1转子强度分析的目的

转子强度分析的主要目的,是通过静态和高速旋转时动态的应力分析,校验永磁体和护套是否能够承受所允许的应力,保证高速电机的安全运行。

由于永磁体能够承受很大的压应力而不能承受较大的拉应力,永磁体和保护套之间需要采用过盈配合,使永磁体静态承受一定的压应力,补偿高速旋转时离心力产生的拉应力,使永磁体承受的拉应力在材料所许可的范围之内。

需要给永磁体施加多大的预压力,永磁体和保护套之间需要采用多大的过盈量,是转子强度分析所要解决的问题。

永磁转子的结构尺寸如图2所示。

由图2可看出,永磁体和护套的形状比较规则,可根据弹性力学理论采用解析法进行应力分析13J。

注:

‰一护套外半径:

^厂护套内半径:

‰~永磁体外半径rm厂永磁体内半径;风一永磁体预压力。

图2转子的结构尺寸图

Fig.2Rotor

st棚ctu豫and

diInemio璐

　万方数据

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144中国电机工程学报第25卷

（3等效应力计算

永磁体既承受径向力又承受切向力,是一种复

合应力,需要校核其等效应力。

式（17是一个简化的等效应力计算公式,它忽

略了轴向应力的影响,在轴向应力较小时比较准确。

然而由于高速电机转子的永磁体和护套之间采用较

大的过盈配合,而且轴向受到装配预压力的约束,

所以必须考虑轴向应力对等效应力的影响。

在有限元分析中,采用了2D轴对称模型,虽

然忽略了扭矩（因为其值较小对剪切应力的影响,

但考虑了轴向应力的作用。

图7为有限元法计算得

到的永磁体轴向应力的分布。

可以看出,永磁体两

端的轴向应力较大,而中间部位轴向应力较小。

图7有限元法计算的永磁体动态轴向应力

Fig.7Dyn锄icaxialstr鹤sdis埘butionofPM

解析法和有限元法计算的永磁体旋转动态等效

应力的对比如图8所示。

由于轴向应力的影响,永

磁体沿轴向等效应力的分布是不同的。

在图8中分

别给出了用有限元法计算的永磁体端部（,=O处

截面上和中间部位（y=0.0625m处截面上的等效

应力分布曲线。

可以看出,解析法与有限元法计算

的永磁体等效应力分布有较大的差别,其原因是,

解析法计算合成等效应力时没有考虑轴向应力的影

响。

由图8中的曲线可以看出,永磁体端部轴向应

力较大,故有限元法与解析法计算结果差别较大;

永磁体中部由于轴向应力较小,故有限元法与解析

法计算结果差别变小。

可以证明,如果不计轴向应

力的影响,两种方法计算结果一致。

山

=

、

R

通

籁

神

粕

需

图8永磁体的动态等效应力

Fig.8DynaInicequiValentstressofPM

由径向和切向应力计算结果可知,永磁体旋转

时承受的径向和切向力皆为压应力,故旋转时的等

效应力也应为压应力。

由永磁体的材料性质可知,

永磁体能够承受较大的压应力,而只能承受很小的

拉应力。

通过永磁体与护套之间的过盈配合,施加

一定的预压力使永磁体高速旋转时仍处于受压状

态,因而可以保证永磁体不会被拉应力破坏。

5结论

（1永磁电机由于其结构简单和力能密度较

高等优点,特别适用于高速电机。

然而永磁体的抗

拉强度较小,难以承受高速旋转巨大离心力产生的

拉应力,需要采取高强度非导磁护套保护。

永磁体

与护套之间采用过盈配合,通过施加一定的预压力

使永磁体高速旋转时不承受拉应力。

永磁体与护套

之间的过盈量需要通过准确的应力分析计算确定。

（2高速电机转子强度分析中,径向和切向

应力用解析法和有限元法的计算结果十分接近。

解

析法采用的合成等效应力的简化计算公式,由于忽

略了轴向应力的影响,用以计算轴向应力较大情况

下的等效应力时误差较大。

有限元分析中考虑了轴

向应力的影响,计算结果比较准确。

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ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｏｌｊｄＪｉａｊｕｎ．Ｉｎｖｅｓｄｇ撕ｏｎｃｏｕｐｌｅｄ卸ｄｅｌｅｃｍｃａｌｅｌｃｃ砸ｃａＪ作者简介：

王继强（１９７６一），男，博士研究生，研究方向为高速电机设计与特性分析；王凤翔（１９３８一），男，教授，博士生导师，研究方向为特种电机及其控制、电力电子与能量转换系统等；Ｖｉｂｍｄｏｎ卸ｄｃ叫ｐ捌ｍｅｃｈ锄ｊｃａ】锄ｄｍａｃｈｉｎｅ【Ｊ】．ＰｒｏｃｅｃｄｉｎｇｓｏｆｍｅＶｉｂ疆Ⅱ０ｎｏｆＣＳＥＥ，２００２，２２（５）：

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