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高速永磁电机转子的强度有限元分析

发布于:2020-05-06 18:43
有限元分析

      由于表贴式高速永磁电机具有结构简单、能量密度大、效率高等优点,成为高速电机领域的研究热点之一高速永磁电机中常用的永磁材料主要有铝镍钻永磁材料、铁氧体永磁材料和稀土永磁材料,其中稀土永磁材料具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线等优异的磁性能,很适合在永磁电机中使用。但稀土永磁材料的抗压强度大而抗拉强度小,表贴式高速永磁电机转子上的永磁体难以承受由转子高速旋转产生的巨大离心力的作用,因此,必须对电机转子上的永磁体采取专门的保护措施。
      通常,表贴式高速永磁电机转子永磁体的保护一般采用两种方法:一种是在永磁体外采用高强度的复合材料,如用碳纤维或玻璃纤维进行绑扎;另一种方法是在永磁体的外层设置一高强度的非导磁金属保护套.与采用非导磁金属护套相比,高强度的复合材料绑扎带的厚度小,而且不产生高频涡流损耗,同时也避免了金属护套在热套过程中可能使永磁体发生退磁的问题。采用高强度碳纤维绑扎防护套的不足在于复合材料是热的不良导体,不利于永磁转子的散热。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,为了保证永磁体内表面与内转子铁芯以及永磁体外表面与碳纤维保护套之间在转子高速旋转条件下不会出现松动,绑扎带需要对永磁体有一定的预紧力,以补偿高速旋转时离心力产生的变形。利用在永磁体的外层设置一高强度的非导磁金属保护套的表贴式高速永磁电机的强度问题已有大量的研究,但对永磁体外用碳纤维绑扎方式的表贴式高速永磁电机强度问题的研究还很不足。张旭坡等利用有限元分析及处理系统(MSC.Patran)对72000r/min的高速永磁电机的转子结构进行了应力应变分析。在该台样机中,永磁体采用环状结构,永磁体保护方式采用外设碳纤维保护套结构。kolondzhovski等设计了高速电机,该电机的永磁体采用的是碳纤维绑扎。
       目前,表贴式高速永磁电机的转子强度分析主要采用有限元法,但是有限元法存在建模复杂和计算收敛困难等问题,转子强度分析的解析计算方法则主要集中在环形永磁体或圆柱永磁体的转子结构,而对于分块永磁体结构表贴式高速永磁电机的永磁体和碳纤维保护套的强度分析的解析计算方法还鲜见报道。除了2极电机可以采用圆柱形永磁体结构或永磁环外,其他表贴式永磁电机大都采用分块永磁体的结构。本文基于弹性力学理论,推导了分块永磁体结构表贴式高速永磁电机的永磁体和保护套的应力计算公式,并利用有限元法对解析计算结果进行了对比分析,验证了解析解的有效性。
       分块永磁体表贴式高速永磁电机转子铁芯外表面上的永磁体通常由偶数个瓦片状的永磁体组成。为了对永磁体进行保护,在永磁体外用碳纤维对永磁体进行绑扎,分块永磁体表贴式高速永磁电机转子的三维结构如图所示。铁芯的半径为Ro,永磁瓦片的内、外半径分别为Rm和Rro,保护套的内、外半经分别为Rh和Rho,其尺寸标注如图所示。
       为了对分块永磁体表贴式高速永磁电机转子结构进行应力和变形分析,特作如下的简化假设:(1)各瓦块状永磁体的尺寸、材料特性等参数均相同;(2)永磁体与永磁体之间是紧密配合的,期间没有间隙存在;(3)采用厚圆盘或者是厚壁筒理论的平面应力模型进行分析,永磁体预紧力的施加要求:(1)转子静止时,永磁体所受压应力不应超过永磁体应力极限,(2)转子额定转速时,转子能够提供额定转矩,并且要留有足够的转矩余量。


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