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高速永磁电机转子设计与强度分析.pdf

高速永磁电机转子设计与强度分析

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2012-03-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《高速永磁电机转子设计与强度分析pdf》,可适用于工程科技领域

第卷第l期年月中国电机工程学报ProceedingsoftheCSEEVo.No.Aug.Chin.Soc.forElec.Eng文章编号:()中图分类号:TM文献标识码:A学科分类号:·高速永磁电机转子设计与强度分析王继强王凤翔鲍文博关恩录(沈阳工业大学电气工程学院辽宁省沈阳市)RoToRDESIGNANDSTRENGTHANALYSiSOFHIGIISPEEDPERMANENTMAGNETMACHINEWANGJiqiangWANGFengxiangBAOWenboGUANEnlu(SchoolofElectricEngineeringShenyangUnive~ityofTechnology,Shenyang】LiaoningProvinceChina)ABSTRACT:Inthispaper.thedesignfeaturesofhighspeedpermanentmagnetmachinesareintroduced.MorediscussionsarepaidtOthechoiceofpermanentmagnet(PM)materialandrotOrstructuredeterminationofmainrotordimensionsandanalysismethodofrotorstrength.Nowadaysthesinteredneodymiumironboron(NdFeB)materialisusedinmostofPMmachines.ThiskindofPMmaterialhaslargecompressionstrengthbutsmalltensilestrengthandcannotwithstandthelargecentrifugalforceduetOthehighrotationspeed.AnonmagneticsteelenclosureisneededtOcoverthePMmaterialThetensilepressofPMcanbereducedbyprepressureappliedtOtheoutersurfaceofthePMthroughshrinkfittingintotheenclosure.TherotOrstrengthanalysismethodsofhighspeedPMmachinebymeansofanalyticalmethodaswellasfiniteelementanalysisareintroduced.AsanexamplethestrengthanalysisresultsforahighspeedPMmachinewithratedspeedofr/minarepresented.KEYWoRDS:ElectricmachineryHighspeedPermanentmagnetmachinesRotordesignStrengthanalysis摘要:文中介绍了高速永磁电机的设计特点重点论述了永磁材料和转子结构型式的选取、主要尺寸的确定与转子强度的分析和计算方法。目前永磁电机多采用烧结钕铁硼永磁材料其抗压强度较大而抗拉强度很小永磁体难以承受转子高速旋转巨大离心力产生的拉应力必须在永磁体外设置高强度非导磁防护套采用过盈配合给永磁体施加一定的预压力。文中介绍了采用解析法和数值分析有限元法进行高速永磁电机转子强度分析的实用技术并给出了对一台额定转速为r/min的高速电机永磁转子强度的分析计算结果。关键词:电机高速永磁电机转子设计强度分析基金项目:国家自然科学基金项目()。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina().引言由电机运行原理可知当转矩一定时电机的输出功率与转速成正比也就是说通过增加转速可提高电机的输出功率。高速电机的应用领域越来越为广泛如高速磨床及其他加工机床高速飞轮储能系统天然气管道中采用的离心压缩机和鼓风机以及分析设备中的真空泵等。近来用于分布式供电系统的微型燃气轮机驱动高速发电机越来越受到人们的关注。对于小型燃气轮机来说由于不需要驱动传统低速电机必须的减速器不但提高了工作效率而且提高了可靠性IJ。】。永磁电机由于其结构简单力能密度高和无励磁损耗效率高等优点最适合用于高速电机rjJ。高速电动机和发电机的转速通常在r/min以上甚至超过r/min定子齿和铁心中磁通的变化频率超过lkHz。高速高频电机的设计与普通低速低频的电机有很大的不同I。】。转子与轴承系统的动力学分析对高速电机的运行可靠性有着重要的意义】。转子设计是高速永磁电机设计的关键主要考虑的问题有:转子直径和长度的选取永磁材料的选择和采用的保护方式(永磁体不能承受高速旋转时受到的巨大的离心力必须采用一些高强度材料来保护)转子的强度和刚度分析:轴承的设计(高速电机不能采用普通的轴承而必须采用非接触式的空气轴承或磁力轴承)等。本文着重论述转子强度和永磁体的保护问题。永磁转子的结构设计.转子外径的选取对于高速永磁电机来说永磁转子的设计要统维普资讯http:wwwcqvipcom第l期土继强等:高速永磁电机转子设计与强度分析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:()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。()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。电机极数的选取高速电机的极数较少一般采用极或极。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。同时极电机定子铁心磁场和绕组电流的频率仅为极电机的一半有利于减少电机定子的铁耗和铜耗。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极方案比较有利。.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:()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。()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。.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(MPa)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(<MPa)。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。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间采用过盈配合。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|jJ。.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所示。图一种高速永磁电机转子结构示意图Fig.Arotorstructureofhighspeedpermanentmagnetmachine高速电机采用极结构。永磁材料选用耐高温(工作温度℃)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。转子强度分析.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所示。由图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引。曩。lIltr舢注:一护套外半径:广护套内半径:一永磁体外半径:rm。一永磁体内半径:p一永磁体预压力图转子的结构尺寸图Fig.Rotorstructureanddimensions维普资讯http:wwwcqvipcom.转子护套位移分析()静态过盈量静态过盈量即装配过盈量护套内半径之差中国电机工程学报第卷为永磁体外半径与=Fmoref()()旋转位移及旋转静过盈量由于旋转离心力的作用永磁体及护套均产生径向位移其位移分别为d=一=业==r舢Fmo一~m一=舒=其中、、、、v、v分别为护套和永磁体的密度弹性模量与波松比:旋转角速度。因旋转变形减少的过盈量为△=Ud.e(ref)一Udm(r舢)=Ud一M因此考虑旋转后的静过盈量为=一△=(Fmoref)一(一Ud,)()()温度位移及其静过盈量护套内表面的温度位移为)Ut,ei【lve)rei()永磁体温度位移很小可暂不考虑。考虑温度及旋转位移后永磁体与护套间的总静过盈量为=一=(Fmoref)一(d一Ud,M)一.().永磁体与护套间的静压力()装配压力(过盈静压力)()考虑旋转及温度工况永磁体与护套的工作静压力为()静应力(装配应力)径向装配应力rr.=一P(卜号)()一fr‘切向装配应力rro=一P(等)()一r‘装配应力第四相当应力r=、一)()()】()()工作应力考虑旋转和温度工况永磁体工作时的径向装配应力为dp磊rj,(一()一乙r切向装配应力广p磊c争瑚一r旋转径向动应力d=(一学r)()旋转切向动应力z=(.I等一r)()径向总应力d=d.d.()切向总应力=.()第四相当应力.r=√【(一)()()】/().转子护套强度分析采用与永磁体强度分析类似的方法可得到转子护套的工作径向总应力、切向总应力以及等效第四相当应力的表达式。高速永磁电机转子强度分析举例.电机设计数据永磁体:内径为.m外径为.ITI泊松比为O.密度为kg/m弹性模量为GPa。维普资讯http:wwwcqvipcom第期王继强等:高速永磁电机转子设计与强度分析护套:内径为.m外径为.m泊松比为.密度为kg/m弹性模量为.GPa。高速永磁电机额定转速:r/min。转子高速旋转时由于旋转应力产生的应变永磁体和转子护套之间的过盈量将减少。而转子温度升高后由于在热应力作用下产生热应变永磁体和转子护套的过盈量将进一步减少。为了使永磁体在额定工作温度、额定转速甚至超过额定转速%时还能可靠工作永磁体和护套之间需要采用过盈配合。如何适当选取永磁体和护套之间配合的过盈量是高速永磁转子设计需要解决的关键问题之一。通过对不同过盈量下永磁体和护套应力的计算和对比分析永磁体和护套之间采用.mm过盈量比较合适。故在下述分析中以.mm过盈量为例重点分析永磁体的受力情况。以下采用解析法和有限分析两种方法分别计算永磁体的应力分布。有限元分析采用了轴对称模型使用线与线接触单元来模拟永磁体和护套之间的面与面过盈配合。同时耦合永磁体内半径上节点的径向自由度耦合护套外半径上节点的径向自由度以及耦合永磁体和护套轴向端部节点上的轴向自由度。在分析永磁体和护套之间接触产生预应力的基础上进行旋转应力分析。.静态时永磁体内部的应力分析()径向应力计算在永磁体和护套之间过盈量为.mm时用解析法计算和有限元法计算结果得出的永磁体内静态径向应力分布曲线如所示。‘.I.e一凳法.\’‰lZllZUZZZ沿转子径向位置rIIIll图永磁体静态径向应力分布FStaticradialstressdistributionofPM由解析法计算的永磁体的静态径向应力为~一.MPa而有限元法计算结果为MPa。()切向应力计算由解析法和有限元法计算的永磁体的静态切向应力分布如图所示。用两种方法计算的永磁体切向应力范围分别为一..MPa和一~.MPa。=、翅厦尽怕ji盘沿转子径向位置/mm图解析法计算永磁体静态切向应力分布rig.Statictangenl~lstressdistributionofPM.高速旋转时永磁体内部的应力分析旋转应力分析按电机的额定转速r/min考虑相应的电机旋转角速度为/s。由于旋转时在离心力作用下永磁体和护套产生了应变其交接面的过盈量和压力皆发生变化从而使永磁体的内部应力发生变化。()径向应力计算由解析法和有限元法计算的永磁体的旋转动态径向应力分布如图所示。用两种方法计算的永磁体径向应力范围分别为一ll.MPa和~一.MPa二者十分吻合。与静态相比旋转时永磁体承受的径向压应力有所减小。日=o鲁一Ol沿转子径向位置rIIIll图永磁体动态径向应力分布rig.DynamicradialstressdistributionofPM()切向应力计算由解析法和有限元法计算的永磁体的旋转动态切向应力分布分别如图所示。用两种方法计算的永磁体径向应力范围分别为永磁体的切向旋转应力为一.~一.MPa和一.~一.MPa。与静态相比旋转时由于离心力产生的拉应力作用永磁体承受的切向压应力明显减小。沿转子径向位置rIIIll图永磁体动态切向应力分布Fig.Dyllsln~ctaⅡgenaalstressdistributionofPMO卯∞卯一lld苫、毯厦抬鹰摹维普资讯http:wwwcqvipcom中国电机工程学报第卷()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()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D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。图有限元法计算的永磁体动态轴向应力Fig.DynamicaxialstressdBtribufionofPM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。在图中分别给出了用有限元法计算的永磁体端部(y=处)截面上和中间部位(y=.m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。山苫、毯较j简化的第四箨效一j⋯』¨lllO沿转子径向位置/mm图永磁体的动态等效应力Fig.DynamicequivalentstressofPM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。结论()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。()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。参考文献【l】郑健超.电力前沿技术的现状和前景【J.中国电力(O):..ZhengJianchao.CurrentstatusandprospectsofpowertechnologiesatthefrontierJ.ChinaPower(O):.【】梁才浩段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响【J.电力系统自动化():..LiangCaihaoDuanXianzhong.DistributedgenerationanditsimpactiononpowersystemJ.AutomationofElectricPowerSystems():.【】ChudiPMalmquistA.DevelopmentofasmallgasTtrbinedrivenhighsDe~lpermanentmagnetgeneratorD.Sweden:TheRoyalInstituteofTechnology.【】OlaAgn.AHighSpeedGeneratorforMicmturbinesC.Tanzania:ProceedingsoftheInternationalConferenceonElectricalEngineeringandTechnology(ICEETO)DaresSalaam.OffringaLJJBloklandAJ.Highspeedpermanentmagnetgeneratorwithpowerelectronicconverterforgasturbinepowerplants【C】.London:IMarEConferenceTheInstituteofMarineEngineers.【】WangFengxiangZhengWenpengZongMingeta.DesignConsiderationsofHighSpeedPMGeneratorsforMicroturbines【C】.KunmingChina:PowerCon’h.【】PangYZhuZQHoweD.OpmalspritratioforpermanentmagnetbrushlessmachinesC.BeijingChina:IcEMS’。I:.【】WangFengxiangZongMingZhengWenpengeta.DesignfeaturesofhighspeedPMmachinesC.BeijingChina:ICEMS’。h加加∞舳∞加加O●维普资讯http:wwwcqvipcom第l期王继强等:高速永磁电机转子设计与强度分析l·.【】SchatzerCbinderA.Designoptimizationofahighspeedpermanentmagnetm~hmewiththeVEKoPTalgorithm【C】.RomaItaly:ⅡEIAS’OooOoo.【lO】刘占生黄森林苏杰先.基于非对称模型的发电机转子一轴承系统动力特性分析【J】.中国电机工程学报():.LiuZhanshengHuangSenlinSuJiexian.DynamicanalysisonunsymmetricalgeneratorbearingsystemJ】.ProceedingsoftheCSEE():.【】邱家骏.电机的机电耦联与磁固耦合非线性振动研究【J】.中国电机工程学报():.QiuJiajtin.InvestigationoncoupledmechanicalandelectricalvibrationandcoupledmechanicalandsolidvibrationofelectricalmachineJ】.ProceedingsoftheCSEE():.【l】杨建刚蔡霆高叠.转子一轴承耦合系统动力响应问题研究【J】.中国电机工程学报():.YangJiangangCaiTingGaoWei.ResearchonthedynamicresponseofcoupledrotorbearingsystemJ】.ProceedingsoftheCSEE():.【l】李开平李进旺杨利芳等.一个新的显示算法及其在转子动力学中的应用【J】.中国电机工程学报():I.LiKaipingLiJinwangYangLifangela.AnewexplicittimeintegrationalgorithmforthetofdynamiesproblemiJ.ProceedingsoftheCSEE().【l】陈仲生温熙森杨拥民等.基于谱线再生技术的电机转子早期碰摩故障检测【J】.中国电机工程学报():..ChenZhongshengWenXisenYangYongminela.EarlydetectionofrubimpactinrotorsbasedonspectrallineregenerationJ】.ProceedingsoftIleCSEE():.收稿日期:。作者简介:王继强(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(.)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鲍文博(.)男博士教授研究方向为断裂力学理论与结构强度分析关恩录(一)男副教授研究方向电机特性分析与优化设计。维普资讯http:wwwcqvipcom

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