基于多维可视化的表贴式高速永磁电机转子护套设计

护套厚度和过盈量是影响表贴式高速永磁电机转子强度的主要因素。通过分析永磁转子的受力情况,把三维永磁电机转子的强度模型简化为平面应力问题,在极坐标下推导出考虑护套厚度、过盈量及转速影响的碳纤维护套永磁转子应力解析解。将永磁体和转子铁心接触面间的接触压强及碳纤维护套的最大环向应力作为优化目标,以永磁体和护套的应力极限强度为约束条件,选择碳纤维护套厚度以及永磁体与碳纤维护套之间的静态过盈量作为设计变量,通过多维可视化算法计算求解找到满足条件要求的护套厚度及静态过盈量的优解范围。通过有限元法和解析法的计算结果对比来验证转子的应力分布情况。仿真结果表明,所设计的转子护套能够满足高速下永磁体的强度保护要求,能够实现为高速永磁电机转子表面安装碳纤维护套的优化设计。

不同保护型式下的高速表贴式永磁转子应力与温升分析

针对高速表贴式永磁转子的不同保护型式,建立了三层配合下的表贴式永磁转子应力解析计算模型,基于该解析计算模型对钛合金护套和碳纤维护套保护下的永磁转子进行设计,并通过有限元法对解析计算模型的正确性进行验证。研究了不同护套材料、过盈量、极间填充材料、温度等因素对护套等效应力的影响规律。建立了高速表贴式永磁转子涡流损耗与温升的计算模型,研究了不同护套保护措施、不同填充材料下,永磁转子涡流损耗分布与永磁体温升特性。在此基础上,完成了一台高速表贴式永磁电机的设计与制造,并进行了实验,结果证明了该文计算分析的正确性。

高速永磁电机转子涡流损耗解析计算

高速永磁同步电机采用变频器供电含有大量谐波、频率高等特点导致转子涡流损耗升高,从而使电机温度上升,给散热带来困难,影响电机效率、永磁体性能等指标。针对表贴式高速永磁电机,推导转子涡流损耗的解析计算,该方法在极坐标系下建立物理模型,考虑气隙长度、护套、永磁体等子域,并为了提高模型的计算精度,考虑了涡流反应影响和定子的开槽效应。以一台15 kW表贴式高速永磁电机为例,采用正弦波供电和PWM供电两种供电方式,分析气隙长度、槽开口宽度以及护套材料对转子涡流损耗的影响。将解析法的计算结果和有限元法结果进行比较,验证解析方法的准确性。

考虑轴间填充物的高速永磁电机转子强度分析

针对表贴式高速永磁电机在高速高温工况下的转子强度分析问题,提出考虑轴间填充物的电机转子结构模型。基于厚壁圆筒经典理论进行转子强度的解析分析,推导出各部分统一的解析表达式,从而得出各部分的切向应力和径向应力,并与有限元应力分析结果相比较,发现两者计算结果相近,验证了解析法的正确性。永磁体切向应力偏大是高速永磁电机损坏的关键因素之一,与未考虑轴间填充物电机转子结构的模型相比,考虑轴间填充物的电机转子结构模型的永磁体切向应力偏小6.1%,而其他区域的应力相差较小。基于轴间填充物的转子结构模型为表贴式高速永磁电机转子热态强度分析提供了一种新的思路。

碳纤维护套高强度利用率转子结构优化分析

研究了两种高速转子碳纤维护套结构。当高速转子碳纤维护套与轴肩平齐时,碳纤维护套在磁钢与转轴的交界处存在剪切应力集中现象,这可能造成电机实际运行过程中碳纤维护套开裂或者破坏。优化护套结构,使护套与磁钢齐平。在超速设备上进行超速试验,结果表明,与轴肩平齐结构在碳纤维护套理论强度29.6%利用率时出现了明显的裂纹,超速到一定转速后,整个护套损坏;而与磁钢平齐结构,在碳纤维护套理论强度85.7%利用率时没有出现裂纹和破坏,验证了优化结构的合理性。