Rotor Strength Analysis of High-speed Permanent Magnet Synchronous Motors

为了对转子进行有效的冷却，在满足电机电磁性能的前提下，可通过减小保护套的厚度来尽可能增大定转子之间的气隙，因而必须对保护套和永磁体进行强度校核。将转子受力状况简化为平面应变问题，在此基础上推导出了两层过盈配合、三层过盈配合转子的应力场、应变场、位移场的解析公式，并利用有限元方法验证了解析公式的正确性。归纳了高速情况下热套式永磁转子强度设计准则，为转子的优化设计提供了理论依据。以一台额定转速120kr／min、10kW的高速永磁同步电机为例，给出了两种常用过盈配合高速电机转子的强度设计方法。

Research on Rubbing-fault Diagnosis System in High-speed Rotor based on LabVIEW

The rubbing between rotors and determiners is the common mechanic vibration fault in the operation of rotation machinery. During the operation of equipment, in order to meet the demand of high speed and efficiency of machinery, the gap between the active and passive parts of the rotor system become smaller, which results in the common rubbing fault of rotors and stators. This essay studies the fault diagnosis of high speed rotors based on invented instrument and shows the measurement and research of the signals of rubbing failure of high speed rotors. The research introduces the designed software and hardware which are experimented and testified on Bentley rotor experiment platform. The system has theoretical and applicative meaning in practical projects.

1.1 MW高速内置式永磁同步电机新型转子拓扑设计与强度优化

大功率高速永磁电机中通常采用绑扎碳纤维护套的方式来降低转子应力,然而护套厚度过大会导致等效气隙增加,电机性能随之降低。针对这一问题,设计了一种具有新型转子拓扑结构的1.1 MW、18 000 r/min的内置式高速永磁同步电机。该结构采用永磁体分段设计,并增设加强筋,分担转子隔磁桥处的应力,使护套厚度得到有效降低。同时,将转子外部隔磁桥处替换为非导磁填充块,阻断漏磁路径,提升永磁体利用率。最后,有限元分析结果表明,相较于初始模型,新型结构电机在等效气隙增大1.5 mm的情况下,输出转矩达到600.44 N·m,增加了16.86 N·m,并且新型转子铁心最大应力降低了496.82 MPa,转子结构的机械强度得到显著提高,可为大功率高速永磁电机转子拓扑设计提供参考。

基于代理模型的双气隙混合转子低速大转矩同步电机优化设计

为解决常规低速大转矩电机普遍存在体转矩密度低、永磁体用量多等问题,提出了一种双气隙混合转子低速大转矩同步电机拓扑结构。然而,该种电机结构相对复杂、设计参数多、优化难度大,对此提出了一种基于代理模型的双气隙混合转子低速大转矩同步电机高效优化设计方法。首先,以提高输出转矩与降低转矩脉动为优化目标,对电机的参数进行敏感性分析,实现了在保证代理模型精确度的基础上精简优化变量。然后,为提高该种电机多目标优化设计的精确度和效率,同时缩短优化周期,提出了一种序贯子空间与模式搜索算法相结合的优化算法对电机进行优化处理。最后通过有限元仿真与实验方法验证了所构建代理模型的精确性、合理性和优化方法的有效性、先进性。

高压煤油恒速液动机转子倾覆现象的理论研究

介绍了高压煤油恒速液动机(简称“液动机”)的转子倾覆现象,分析了机理,并按照发生的原因将倾覆现象分为主动倾覆和被动倾覆。重点研究了主动倾覆,基于对转子柱塞组件的受力分析,提出了倾覆条件的数学表达,引入了无量纲的倾覆安全系数,以定量表达倾覆风险。分析了被动倾覆的原因,并提出了解决被动倾覆的方法。在产品设计中应避免出现主动倾覆和被动倾覆。

基于桨距角控制的永磁风电机组高电压穿越控制策略

为解决传统永磁风电机组高电压穿越控制策略存在超速脱网风险问题,提出一种基于桨距角控制的高电压穿越控制策略。高电压穿越期间,首先,按照并网要求向电网提供无功支撑;其次,考虑转子转速限制,当转子转速达到参考值时启动桨距角控制,抑制转子转速上升;最后,通过仿真试验,验证了所提控制策略的有效性。基于桨距角控制的永磁风电机组高电压穿越控制策略,既能向电网提供无功支撑,又能避免超速脱网。

弹性支点可倾瓦轴承油膜间隙动态挤压的影响研究

针对高速转子-弹性支点可倾瓦轴承在内外激励下导致的轴瓦振动与油膜间隙动态变化问题,建立了转子-油膜-轴瓦-弹性支点系统的等效模型,通过分析转子与轴瓦的振动响应,研究了转子和弹性支点轴瓦之间的动态追随与油膜间隙动态挤压过程,揭示了自激励下转子质量与动平衡等级、轴瓦质量、弹性支点刚度和转速以及外激励下扰动参数与弹性支点刚度对弹支瓦动态油膜间隙动态挤压效应的影响规律。结果表明:转子动平衡等级和弹性支点刚度对轴瓦动态油膜间隙的影响较大,提升转子动平衡等级、合理设计较大参数的弹性支点刚度,可以显著减小不同激励下弹支瓦块的动态油膜间隙的振动幅值,缩短扰动激励后系统恢复稳定的时间;弹支瓦系统在全转速范围内运行时,动态最小油膜间隙随着转速的上升呈现先减小后增大再稳定的变化趋势,增大支点刚度可以显著提高动态最小油膜间隙的极小值及其出现的转速位置。本研究对于高速轴承转子系统中可倾瓦块的弹性支点设计具有一定的理论指导意义。

兆瓦级高速永磁电机新型转子冷却结构研究

兆瓦级高速永磁电机转子侧无强迫冷却措施时转子侧温升高、永磁体失磁风险高,基于此问题,提出一种新型的加强筋转子轴向通风结构,该结构能够提高转子侧的壁面对流散热系数、提升转子侧的散热能力、降低电机温度。以一台1 MW、18000 r/min的高速永磁电机为例,建立该电机的三维全域流固耦合求解模型,基于计算流体力学和有限元法对电机流体场与温度场进行分析,揭示电机在额定工况下的流体与温度分布规律。将新冷却结构与传统冷却结构的散热性能及温升变化进行对比,验证新型冷却结构在提升电机散热性能方面的有效性。最后,分析入口风速对电机最高温度的影响,得到适合该冷却结构的入口风速范围,为外部风压设备的选择提供理论支撑。

大速度条件下的旋翼气弹动载荷特性分析

针对常规直升机大速度状态下的旋翼气弹耦合突出、振动载荷预估难的问题,建立旋翼气弹动载荷分析模型并针对大速度前飞状态下的旋翼载荷特性开展分析。针对桨叶典型的细长柔性梁特征,基于柔性多体动力学框架建立旋翼结构动力学模型,并针对大速度状态下的桨叶负升力和气动干扰特点,采用双峰自由尾迹方法建立旋翼气动模型。在模型验证基础上以B0105旋翼为研究对象,开展大速度状态下旋翼气动、结构载荷计算,结果表明:在大速度状态下B0105旋翼桨尖前行侧出现较大负升力,产生偏置气动力矩效应,气动力矩呈现脉冲式振荡特点;桨根垂向剪力和挥舞弯矩的谐波量呈倍数级地急剧增加,其中桨根挥舞弯矩的四阶谐波幅值增长幅度最大;桨毂垂向力、滚转力矩和俯仰力矩的四阶谐波均大大增加,其中桨毂垂向力增长幅度最大;大速度状态下的桨尖负升力和强力矩造成桨叶高频弹性扭转变形,进一步恶化拉杆载荷。

高速磁悬浮电机转子动力学分析方法

文章针对某高速磁悬浮电机转子运行故障,结合高速电机轴系设计基本特点和要求,提出一种高速电机转子临界转速和不平衡响应的分析方法。相比行业内常用的其他分析方法,该方法可以更快、更准确的评估轴系设计风险,可为其他同类型电机转子动力学设计提供参考。

高速永磁电机新型磁性复合材料弹性模量预测

一种新型粉块层级转子结构可有效提高高速永磁电机转子强度。为了准确分析新型复合转子结构强度,需要准确预测转子复合磁性材料的力学性能。该文将新型磁粉胶膜复合材料看作由磁粉颗粒、界面和基体组成的三相复合材料,首先基于蒙特卡罗法构建了Abaqus-Python耦合的代表性体积单元参数化模型,然后依据细观力学等效三相球模型推导出界面层的弹性模量,最后基于虚功原理创建磁粉胶膜弹性模量有限元预测模型,并与拉伸试验结果进行比较分析,验证了模型的准确性。在此基础上,研究了细观结构和界面参数对磁粉胶膜弹性模量的影响规律,得到了磁性材料细观结构与力学性能的映射关系。

基于SAMCEF Rotor的高速泵转子临界转速分析

为了提高高速泵的可靠性,利用专业的转子动力学特性分析软件SAMCEF Rotor对高速矿用抢险泵转子系统进行分析,研究转子的动力特性--临界转速及其振型,根据径向轴承参数建模,分别采用一维梁模型,二维傅里叶模型和三维实体模型进行计算比对,得到了各自的坎贝尔图和临界转速及振型。研究表明,三种模型吻合的状态基本一致,设计方案避免了工作转速达到临界转速产生共振现象。根据转子动力学分析软件SAMCEF Rotor分析研究,临界转速的计算方法比较完善,分析结果较为精确,且一维及二维模型求解法对计算机配置要求低,求解耗时短。

某型涡扇发动机主调性能试验器转速闭环控制系统研究

为了解决人工手动测试无法再现某型涡扇发动机高压转子转速(n2)的摆动故障,导致主燃油调节器维修效率低、维修质量差等问题,提出一种基于主燃油调节器性能试验器的自动控制算法。根据发动机台架试车数据与理论分析提出一种分段模糊自适应PID控制算法,利用模糊控制理论建立n2转速控制模型,实现n2从起动到最大状态的稳定工作,并筛选出引起转速摆动故障的主燃油调节器。试验结果表明,该控制系统能够在主燃油调节器性能试验器上进行n2闭环控制,从慢车到最大状态稳定工作时的n2转速与发动机台架试车数据基本一致,并且算法稳定性优于经典PID算法,能够在进行航空燃油燃烧的试车台试验之前,挑选出引起转速摆动故障的主燃油调节器。

共轴高速直升机/发动机交联控制方法研究

针对常规的旋翼总距前馈方法难以有效实现共轴高速直升机/发动机快速交联控制的问题,本文提出并设计了适用于共轴高速直升机/发动机的新型交联控制方法。首先,基于共轴高速直升机/发动机综合仿真平台,揭示不同运行工况下,共轴双旋翼、推力桨操纵输入、发动机燃油输入变化规律;其次,在此基础上,提出了综合考虑共轴双旋翼、推力桨桨距的增益自调节交联控制方法,并针对不同的运行工况,开展了数值仿真验证。结果表明,在中等、高速度飞行时,相比于常规的旋翼总距前馈,新型交联控制方法可使动力涡轮转速的超调与下垂量减小36%与70%,可使直升机/发动机快速交联控制品质更优,进一步提升直升机/发动机综合系统的控制品质。

气体轴承-高速永磁电机转子系统亚同步涡动效应研究

气体箔片轴承(gas foil bearings-GFBs)在高速永磁电机中应用广泛,为了进行合理的轴系设计,预测GFBs-高速电机转子系统的动力学行为,基于刚性气膜假设,建立GFBs-非对称刚性转子动力学模型,研究了转子不平衡量和箔片结构刚度对转子动力学行为的影响规律。结果表明:对于一根特定的刚性转子,存在一个与之匹配的最佳的结构刚度,使得转子的振幅和亚同步涡动效应最弱。计算结果表明,气体轴承支承的高速永磁电机轴系的综合设计,需要考虑转子与箔片结构刚度的合理匹配,以抑制亚同步涡动对轴系振动的影响。

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。

车用电涡轮复合系统超高速永磁同步电机设计

超高速永磁同步电机由于其转速高、体积小、功率密度大等特点,被广泛应用于透平机械中。本文以一台5kW/150000rpm的车用电涡轮复合系统超高速永磁同步电机为研究对象,围绕电机的转子强度、损耗温升等关键问题进行研究分析。首先,基于经典电机设计理论,明确了设计步骤,完成了电磁设计;其次,采用多物理场耦合分析方法,建立了电机转子二维简化等效模型,进行转子强度分析;最后,基于电机损耗理论,完成了电机的热特性分析。仿真分析和计算结果表明:所设计的超高速永磁同步电机能够满足车用电涡轮复合系统的整机要求,为后续同类型电机开发与优化设计提供了参考。

剪切式旋转阀高速脉冲器定转子间隙对脉冲幅度的影响

随着地质导向钻井的不断发展,井下上传的数据量日益增多,对传输速率的要求也更高。剪切式旋转阀高速脉冲器是将井下实时数据通过泥浆脉冲上传地面的重要的执行机构,在探究脉冲发生器脉冲信号产生基本原理的基础上,使用六合LH-61高温仪器+MWD+剪切式旋转阀高速脉冲发生器进行地面水循环试验,揭示了不同泥浆流量下定转子间隙对脉冲器产生脉冲幅度的影响规律:脉冲信号幅度随流量的增加呈现逐渐增加的趋势;在相同流量下,间隙越大,脉冲信号幅度越小,与理论值进行比对,得出合理的定转子间隙范围为0.5~0.7 mm。此研究结果可为旋转阀高速脉冲器定转子间隙设计提供参考。

高速永磁电机复合转子多尺度强度数值分析

传统高速永磁电机多采用块状永磁体结构,在高速旋转下极易导致烧结永磁体的破坏。为提高转子机械强度,提出一种新型复合转子结构,该结构使用磁粉胶膜/碳纤维复合磁性材料代替烧结永磁体,采用多尺度分析方法,对其性能进行研究。在细观尺度上,利用均匀化理论分析碳纤维单元的力学性能,再根据单胞结构理论分析磁粉胶膜单元的力学性能;在宏观尺度上,将各单元的性能作为多层复合磁性材料中各单层的有效性能,采用经典层合板理论计算复合磁性材料整体力学性能,并与拉伸试验对比,验证多尺度分析方法的正确性。最后,利用有限元软件对不同尺度转子模型进行强度数值模拟,研究不同尺度下模型的应力分布情况,研究结果证明了在细观尺度下的转子应力分析更加精确。

基于多物理场的超高速永磁电机冷却系统设计及分析

为了解决超高速永磁电机转子散热困难的问题,提出一种有效提高转子散热能力的散热结构。首先,采用计算流体动力学(CFD)仿真方法计算一台15 kW、15000 r/min水冷高速永磁电机的温升,将计算值与试验测得的数值进行对比,证明了CFD仿真方法的有效性。其次,通过孤立翼型法针对一台10 kW、100000 r/min表贴式超高速永磁电机设计了同轴轴流风扇,采用流体场与温度场耦合的方法仿真分析了风扇叶片数量和叶片安装角对电机温升的影响,从而得到风扇叶片的最优参数,抑制转子温升的同时降低风扇的风摩损耗。最后,通过仿真分析对比自扇冷却与强迫风冷的冷却效果,结果显示风量相当的情况下自扇冷却的永磁体温升相对于强迫风冷降低了13.8 K左右。经过应力场分析,风扇符合安全运行要求。