高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算

李興波

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算

李興波

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

永磁電機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力能密度高、無(wú)勵(lì)磁損耗、效率高等諸多優(yōu)勢(shì)，最適用于高速電機(jī)中。采取解析法對(duì)轉(zhuǎn)子與軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，可對(duì)高速永磁電機(jī)運(yùn)行的安全性、可靠性有至關(guān)重要的影響。因此，做好高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與強(qiáng)度的計(jì)算尤為重要。

高速永磁電機(jī)；轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)；強(qiáng)度計(jì)算

近年來(lái)，高速電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越發(fā)廣泛，受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。永磁電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，力能密度較高，又具備無(wú)勵(lì)磁損耗，效率較高等特點(diǎn)，更適用于高速電機(jī)中。通過(guò)實(shí)踐分析得知，在高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最為關(guān)鍵的就是轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。為研制開發(fā)出工作效率更高，運(yùn)行更為可靠的高速永磁電機(jī)，筆者重點(diǎn)闡述了高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算等問(wèn)題，供廣大同行參考借鑒。

1 高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑的選取

在高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)上，電磁與機(jī)械是要統(tǒng)籌考慮的兩個(gè)方面，因?yàn)橛来烹姍C(jī)的轉(zhuǎn)子不僅要為定子繞組提供較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，還要承受高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的離心力。因?yàn)殡x心力和旋轉(zhuǎn)速度之間往往呈現(xiàn)正比關(guān)系。為了進(jìn)一步降低離心力，在高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑的選取上必須保持一個(gè)合理的比例。必須保證高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子有足夠的空間去安裝永磁體、鐵心、繞組，還要有足夠的剛度。

1.2 高速永磁電機(jī)極數(shù)的選取

通常情況下，高速電機(jī)級(jí)數(shù)采用的是2極或4極。2級(jí)電機(jī)便于永磁體整體結(jié)構(gòu)的安裝，以確保永磁轉(zhuǎn)子的機(jī)械性能與電磁性能呈現(xiàn)出對(duì)稱性，且2極電機(jī)的定子鐵心磁場(chǎng)和繞組電流頻率僅為4極電機(jī)的一半，有利于降低電機(jī)的定子鐵耗與銅耗。雖然2極電機(jī)定子繞組的端部較長(zhǎng)，需要定子鐵心軛部的面積較大，但從機(jī)械與電磁兩個(gè)方面進(jìn)行綜合考核，高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還是采用2極更為適合。

1.3 高速永磁電機(jī)永磁體材料的選取

永磁體材料的性能直接決定了高速永磁電機(jī)的整體性能，所以，必須做好永磁體材料的選取工作。第一，選擇那些剩余磁通密度、矯頑力和最大磁能積較大的永磁材料；第二，選擇耐高溫的永磁材料；第三，選擇機(jī)械性能較好的永磁材料。

1.4 高速永磁電機(jī)永磁體的保護(hù)

在不施加保護(hù)措施的前提下，永磁體本身無(wú)法承受轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的離心力。所以，必須對(duì)永磁體采取必要的保護(hù)措施?？梢栽谟来朋w外面添加一層非導(dǎo)磁保護(hù)套，并使永磁體與護(hù)套之間采取過(guò)盈配合。基于上述諸多方面的綜合考量，采取外加保護(hù)套的高速電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式(圖1)。該電機(jī)采用的是2極結(jié)構(gòu)，永磁體材料采用的是高性能燒結(jié)釹鐵硼，永磁體采用的是整體結(jié)構(gòu)。在永磁轉(zhuǎn)子直徑與長(zhǎng)度的選取上，應(yīng)結(jié)合電機(jī)的額定功率與轉(zhuǎn)速，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)電磁與機(jī)械性能后加以確定。

圖1 一種高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 High-speed permanent magnet motor rotor structure schematic diagram

2 高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的計(jì)算分析

因?yàn)橛来朋w本身不能承受較大的拉應(yīng)力，為了合理控制永磁體所承受的拉應(yīng)力，往往通過(guò)永磁體與保護(hù)套之間采用過(guò)盈配合，便于補(bǔ)償轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因?yàn)殡x心力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行的科學(xué)分析，是為了校驗(yàn)永磁體與護(hù)套之間所承受的應(yīng)力是否在合理范圍內(nèi)，進(jìn)而確定應(yīng)該采取多大的過(guò)盈量，施加多大的預(yù)壓力，以確保高速永磁電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

永磁轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)尺寸，如圖2所示。從圖2中可以清楚的看到永磁體形狀、護(hù)套形狀均比較規(guī)則，可以結(jié)合彈性力學(xué)理論運(yùn)用解析法對(duì)其應(yīng)力進(jìn)行具體分析。

注：rco-護(hù)套外半徑；rci-護(hù)套內(nèi)半徑；rmo=-永磁體外半徑；rmi-永磁體內(nèi)半徑；ps-永磁體預(yù)壓力。圖2 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.2 Rotor structure dimensions

在靜應(yīng)力作用下的強(qiáng)度計(jì)算分析：

將徑向裝配應(yīng)力用如下公式表達(dá)：

將切向裝配應(yīng)力用如下公式表達(dá)：

將裝配應(yīng)力第四相當(dāng)應(yīng)力用如下公式表達(dá)：

在工作應(yīng)力作用下的強(qiáng)度計(jì)算分析：

結(jié)合高速電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與溫度情況，可將工作過(guò)程中的永磁體徑向裝配應(yīng)力用如下公式表達(dá)：

將工作過(guò)程中的永磁體切向裝配應(yīng)力用如下公式表達(dá)：

將工作過(guò)程中的永磁體旋轉(zhuǎn)徑向動(dòng)應(yīng)力用如下公式表達(dá)：

將工作過(guò)程中的永磁體旋轉(zhuǎn)切向動(dòng)應(yīng)力用如下公式表達(dá)：

徑向總應(yīng)力應(yīng)該為：

切向總應(yīng)力應(yīng)該為：

第四相當(dāng)應(yīng)力應(yīng)該為：

3 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)電機(jī)運(yùn)行原理，采用解析法對(duì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行粗淺分析，并提出了高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，希望通過(guò)筆者的闡述，為廣大同行在轉(zhuǎn)子與軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析上提供有益參考，為高速永磁電機(jī)的研制與開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 王繼強(qiáng)，王鳳翔，鮑文博，等.高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(15)：140-145.

[2] 方程.高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 王天煜.高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合設(shè)計(jì)方法及動(dòng)力學(xué)特性的研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2010.

[4] 王繼強(qiáng)，王鳳翔.新型高速永磁電機(jī)的場(chǎng)路耦合分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，27(05)：713-717.

[5] 周鳳爭(zhēng)，沈建新，林瑞光.從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度減少高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)， 2007，41(09)：1587-1591.

[6] 王天煜，王鳳翔，方程，等.高速電機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算與振動(dòng)模態(tài)分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(05)：805-808.

Design and strength calculation of high speed permanent magnet motor rotor

LI Xing-bo

(Jiamusi Electric Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Permanent magnet motor has the advantages of simple structure, high energy density, no excitation loss and high efficiency. It is most suitable for high speed motor. The analysis of the dynamics of the rotor and the bearing system can be used to analyze the safety and reliability of the high speed permanent magnet motor. Therefore, it is very important to make the design and strength calculation of high speed permanent magnet motor rotor.

High speed permanent magnet motor; Rotor design; Strength calculation

2017-05-25

李興波(1986-)，男，本科，工程師。

TM336

A

1674-8646(2017)14-0028-02