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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

超高速永磁电机转子机械强度的实验研究

在超高速永磁电机运行时,电机中的永磁体会因难以承受巨大的离心力而破损。为了解决这一问题,基于1台超高速永磁电机,对电机转子的机械强度进行了仿真分析和实验研究。首先,基于1台超高速永磁电机,对其进行了应力有限元仿真,分析了护套厚度、过盈量、温度、旋转速度对转子应力的影响程度及其灵敏性;然后,基于上述分析结果获得了高机械强度转子的设计方案,并对不同运行工况下的超高速电机转子的应力进行了校核;最后,加工出了1台额定功率为7 kW、额定转速为150000 r/min的超高速永磁电机,并对其进行了机械强度运行实验和空载特性测试。实验测试结果表明:永磁体应力在不同工况下均表现为压应力,其最大值为109 MPa,安全系数大于6,尚有较高的裕量;而护套应力的最大值为967 MPa,安全系数大于2,说明与永磁体相比,护套更易达到极限机械强度;同时,样机测试的空载反电势为362 V,与计算值的吻合度在98%以上,且该转子在超速运行数小时后,未见任何损坏。研究结果表明:所设计的电机转子具有高可靠性,可以满足电机超高速运行的需要。

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。

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。

磁悬浮高速电机转子低频振动机理及抑制方法研究

磁悬浮高速电机,即磁悬浮轴承支撑的高速电机,转速超过10000r/min,可以直接与高速原动机或工作机相连,从而取消了原有的增速/减速机构,大幅提高设备效率。磁悬浮高速电机的功率密度高,体积比同等功率的传统发动机小得多,磁浮轴承可避免转子与轴承之间的接触和摩擦,无须润滑系统。采用磁悬浮高速电机代替高速驱动机中的传统驱动电机或发电机,如风机、压缩机等,可以使设备效率提高10%至15%,具有较高的经济价值。

一种高功率因数谐振异步电机特性分析

传统交流异步电机仅在额定工况下可以维持较高的功率因数,而在其他各类工况下功率因数较低。针对这一问题,通过在绕线式异步电机转子/次级回路上串接电容来补偿异步电机的功率因数,提出了一种谐振异步电机。选择适当的电容容值及转差频率,可以有效提高异步电机的功率因数,最高可以将功率因数提高至1。分析了谐振异步电机等效电路,基于等效电路对其功率因数特性进行了推导和分析,并采用一组电机参数将功率因数特性及转矩/推力特性与常规异步电机进行了对比分析。分析结果表明:在相同的电机参数下,所提出的谐振异步电机相较常规异步电机,在全速域具有高功率因数的特点;在输出同样的转矩/推力的情况下,谐振异步电机需要的定子电流更小、母线电压更低,适用于电磁推进/弹射的应用场景,可减小系统规模及建设成本,也可应用于一般的绕线式异步电机进行无功补偿。