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。

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。

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。

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。

三相鼠笼异步电动机无传感器转速检测技术及其适应性

针对三相鼠笼异步电机无位置传感器快速傅立叶变换(fast Fourier transformation,FFT)测速方法需要预先知道转子槽数,且测试精度易受噪声干扰和采集时长等因素的影响,提出一种基于奇异值分解-Prony(singular value decomposition-Prony,SVD-Prony)算法的无位置传感器高精度转速测量技术。运用电机学相关理论,研究转子槽谐波测速机理,并给出整数倍率转子槽数的计算方法。在分析并明确定子电流噪声影响和FFT法存在检测精度受采样时长限制等问题的基础上,研究基于奇异值增长率的SVD滤波方法和用于辨识转子槽谐波的Prony算法,并以Y160M-4型电机为研究对象,在不同运行状态下对该技术的适应性进行分析。在此基础上,构建相关物理测试平台,对YE90S-2型电机进行实测。结果表明,在相同采集情况下,所提方法测试绝对误差仅为FFT测速方法的几分之一,检测精度大幅提高。

基于转子极性判断优化的脉振高频电压注入法

在永磁同步电机零速和低速运行时,采用脉振高频注入法能够准确估计转子位置信息。针对脉振高频注入法无法实现转子极性判断,而传统极性判断方法存在响应时间长、采样和实施过程复杂以及极性误判等问题。文中提出了一种基于正负电压脉冲注入的电机转子极性判断方法。该方法给电机注入正负电压脉冲,并根据对应脉冲的响应电流峰值判断转子极性。脉振高频注入法将转子位置估计值和极性判断结果相结合,可得到准确的转子初始位置。文中通过Simulink仿真验证算法的有效性。仿真结果表明,所提转子极性判断方法能够简化采样方式和算法复杂性,降低判断转子极性的响应时间,使脉振高频注入法能够准确和快速地估计转子初始位置。

高铁异步牵引电机的电磁设计与分析

本研究以高铁异步牵引电机为对象,深入探讨了电机的电磁设计,充分运用电机设计的基本理论。首先,通过对高铁牵引系统要求的深入剖析,系统性分析了异步牵引电机的电磁设计需求,并在设计阶段采用了基础的电机设计理论,涉及电机的极数、定子铁心尺寸以及气隙长度等关键参数的选择。完成电机尺寸设计后,对牵引电机在各特征工况点的性能参数进行了详细计算。最后,采用有限元仿真技术对电机的额定工况进行了二维电磁仿真分析,仿真结果与电磁计算相对比显示,电机定子相电流和输出转矩均在误差允许范围内,符合工程设计要求。该研究对高铁异步牵引电机的电磁设计提供了具体而深刻的理论指导,具备较高的工程应用参考价值。

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。

船舶电力推进系统高机动特性分析

本文运用Matlab/Simulink建立了船舶电力推进系统的数学模型,并对船舶电力推进系统的高机动特性进行了数字仿真。在建模和仿真的过程中,本文采用了分层结构和模块化设计方法,并采用了基于转差频率调速控制策略,对异步电动机的起动过程、加载过程中的电动机转速、电磁转矩、三相电流以及dq轴电流进行了详细仿真分析。此外,在两种常见工况下,分别比较了采用转差频率调速控制策略和不采用该策略时电机的转速变化曲线,仿真结果证明了所建立的模型和仿真方法的准确性和有效性。

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。

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。

基于蝶翅微结构的高速主轴冷却水套仿生热结构设计

内置电机作为高速电主轴的主要发热部件之一,在实际工况中,其发热量会影响电主轴的回转精度。为了提高电主轴冷却水套的冷却效率,以自然界中闪蝶翅膀微结构的几何模型、结构功能和位形关系等为参照,结合结构相似理论设计一种具有双层包覆性特点的新型蝶翅仿生冷却水套。基于流体动力学及热传导特性理论,对仿生冷却水套及原始螺旋冷却水套进行流固耦合及共轭传热特性的仿真对比分析。结果表明:当冷却水的雷诺数和强迫对流换热面积相同时,电主轴仿生冷却水套的冷却效率和流动特性均优于原始的螺旋冷却水套,其中内置电机的定子热边界面最高温度降低了8%~11%;仿生冷却水套的冷却水最大流速为0.328 m/s,出入口的最大压降是478.6 Pa,相较于螺旋水套在流动特性方面都有很好的提升,对冷却水套结构设计和高速电主轴驱动电机共轭传热提供了参考。

低温高速永磁电机转子屏蔽套的设计及强度分析

针对低温泵用高速永磁电机的屏蔽套厚度和过盈量的确定问题,从电机转子强度的角度分析,提出了以厚度最小化作为设计目标的研究方法。首先确定转子各材料的强度约束准则,建立电机转子的三维有限元强度计算模型,并通过解析法验证,分析了分别采用钛合金和碳纤维作为屏蔽套材料时不同转速和温度下转子应力的变化规律,探究各材料的失效极限;并以此作为约束条件,确定了符合强度要求的屏蔽套厚度及过盈量,最终得到的碳纤维屏蔽套较钛合金的厚度更小,在强度方面更具优势。该屏蔽套的设计方法在满足转子强度的前提下,使得材料尽限利用,对低温泵用电机和高速电机的屏蔽套设计具有参考意义。

高速电主轴热特性建模与冷却系统参数优化方法研究

电主轴热变形是影响加工精度的主要因素之一,而热变形主要由电主轴温升引起,其中冷却系统是影响电主轴温升的关键因素。为了优化冷却系统关键技术参数,以某型号高速电主轴为例,建立了考虑主轴不同旋转面换热系数的热特性模型,提高了温度场和热误差的仿真精度,并进行了主轴不同转速的温升与热误差实验,验证了仿真模型的正确性;基于所建立的电主轴热特性仿真模型,利用正交试验法进行了冷却系统参数优化,冷却参数优化后的仿真实验结果表明,电主轴最高温度降低了2.0℃,热变形减小了25.76μm,为电主轴冷却系统优化提供了理论参考。

永磁体与护套分段结构的高速电机转子强度及动力学研究

针对护套和永磁体轴向分段设计导致的强度和动力学方面的问题,以一台额定功率150 kW、额定转速30000 r/min的高速永磁电机为研究对象,基于厚壁圆筒理论建立强度仿真模型,采用解析法和有限元法对护套轴向分段结构的转子应力分布规律和护套分段数对转子强度的影响规律进行研究,并以厚壁圆筒理论验证规律的合理性;建立转子系统动力学仿真模型,以有限元法研究永磁体和护套分段数对临界转速、不平衡响应的影响规律。结果表明,护套轴向分段提高了永磁体局部最大轴向应力和切向应力。永磁体轴向分段降低了转子各阶临界转速,尤其对采用刚度等级较高轴承的转子影响较大,同时升高了转子振幅。为高速永磁电机护套和永磁体轴向分段设计提供了强度和动力学方面的参考。

高速实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的分离和提取

高速实心转子感应电机主要应用于高速压缩机、飞轮储能、航空航天等领域,具有广阔发展前景。和其他拓扑结构的转子相比,实心转子具有较强的端部效应,导致转子涡流损耗进一步加剧。针对高速实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的分离和提取问题,以一台380 V,1 MW,12000 r/min高速实心转子感应电机为主要研究对象,采用二维傅里叶分解方法,精确提取气隙磁场谐波特性,以虚拟永磁谐波电机模型为基础,反向构建气隙谐波磁场用以激励实心转子实现转子谐波涡流损耗的提取;结合混合激励法以及冻结磁导率法,进一步精确考虑了不同负载情况下由材料非线性导致的感应谐波涡流透入深度的变化。采用有限元建模方法,对比了采用混合激励法和冻结磁导率法提取的转子谐波涡流损耗以及感应涡流的分布。该方法为后续对转子谐波涡流损耗进行有效抑制提供了理论基础。

自启动式高速永磁磁滞电机转子强度分析

为解决自启动式高速永磁磁滞电机转子因磁滞力矩不足出现的转子打滑问题,提出两种新的“磁滞柱+永磁环”转子结构。为保证两种结构在高速运转的工况下能够安全运行,须对转子进行强度校核。基于厚壁圆筒理论分别对两种新型结构转子推导了各部分的位移场和应力场,采用有限元方法验证了解析计算的准确性,并对两种结构各部分的应力及位移进行对比分析。在额定功率为10 kW、额定转速为120×10^(3)r/min的工况下,两类转子在切向和轴向的应力差值较大,主要发生在磁滞柱材料部分,3层转子受拉,4层转子受压,两类转子各部分的位移变化均在合理范围之内。4层转子结构在启动过程中,敏感配合处应力满足强度使用条件,因此,碳纤维保护套对磁滞柱部分可以起到一定的保护作用,改变了3层结构中原有的磁滞柱与永磁环的应力状态,证明了该结构的可行性及有效性,为自启动转子的设计与优化提供了合理的理论依据。

高速永磁电机三段式转子模态分析与实验验证

基于模态分析理论,以某磁悬浮轴承高速永磁电机三段式转子为研究对象,通过修正零件材料弹性模量参数建立转子模型,采用有限元分析软件对转子模型进行模态仿真分析,并通过模态实验对仿真结果进行验证。结果表明,通过该修正模型得到的前2阶固有频率与实验结果误差小于5%,验证了该方法的可靠性。该研究为同类型转子高速永磁电机转子动力学分析提供参考。

实心笼型高速异步电动机通风结构研究

为了降低实心笼型高速异步电机最高温度及提升实心转子表面的散热能力,采用CFD数字化仿真技术对轴向单侧通风结构和对称通风结构进行热流耦合温度场模拟分析计算,得出了两种不同风路结构下电机内部的温度分布情况和绕组线圈平均温升及各部位最高温度,为高速异步电机通风结构的优化设计提供了参考。

高速永磁同步电动机转子涡流损耗优化

针对高速永磁同步电动机转子上涡流损耗较大的问题,提出了一种结合护套分层结构与护套之间加装铜屏蔽层的优化方法。首先,分析涡流损耗的产生机理以及对护套分层的理论解析,通过有限元仿真验证得出护套分层结构可减少护套厚度,达到降低损耗的目的。其次,在护套分层结构的基础上,进一步仿真分析铜屏蔽层对涡流损耗的抑制效果,并确定铜屏蔽层的最佳厚度。最后,对优化前后转子涡流损耗、电动机主要性能参数进行对比,较优化前,转子涡流损耗下降了59.8%,气隙磁密、空载反电势基本不变。研究表明:该优化方法能够有效地削减转子上的涡流损耗,且对电动机性能基本不会产生影响。