有限元分析毕业设计 - 图文

高速永磁电机转子动态响应特性研究

文献[30]还进一步试验测试了感应电机转子的固有振动频率，如图1.3所示，并把有限元分析得到的固有频率和试验检测得到的固有频率进行了对比。其中一台65kW电机叠片转子的一阶弯曲频率为530Hz，只是这种转子临界转速计算的准确性还需要提高。

如图1.4所示，转子两端的每一个轴承都被简化为2个x方向和两个y方向的弹簧。但是并没有考虑陀螺力矩对转子临界转速的影响，从而影响了分析的准确性。

图1.3 叠片转子的弯曲临界转速检测 图1.2 前两阶弯曲临界转速对应的模态

图1.4 轴承－转子系统的有限元模型

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国内也有某些学者对电机转子的动态性能进行了研究，但是对高速电机转子的动力学分析较少。

1.3 本文研究的主要内容

1.3.1 高速永磁电机转子强度分析

永磁材料烧结钕铁硼能承受较大的压应力（1000MPa），但不能承受大的拉应力，其抗拉强度＜80MPa。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套的新型转子结构。永磁体与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转离心力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力， 为了永磁转子的安全，避免转子高速旋转和温升时，护套脱离永磁体，造成灾难性的后果，必须准确计算高速永磁电机转子中的应力。本课题从电磁和机械两个方面综合考虑，基于弹性力学的理论，运用有限元分析方法，建立护套和永磁体应力计算模型，计算永磁体和护套的基本尺寸和过盈量，并利用轴对称的有限元模型准确计算永磁体和护套中的应力分布及永磁体和护套的强度，确保永磁转子安全运行。

1.3.2 临界转速的计算

建立磁力轴承支承的高速永磁电机转子动力学模型。分析磁力轴承的支承特性，利用有限元分析得到的磁力轴承中的磁场分布，用电磁场分析得到的气隙磁场强度和磁力轴承的几何尺寸，可以得到磁力轴承的最优刚度。本课题采用有限元法来对转子进行动力学分析，计算临界转速，并考虑磁力轴承支承刚度的影响。

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第二章 高速永磁电机的关键技术分析

2.1 高速永磁电机的特点与关键技术

高速电机的主要特点有两个：一是转子的高速旋转，转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速度可达200m/s以上；二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率，一般在1000Hz以上。由此决定了不同于普通电机的高速电机特有关键技术。

本章在分析高速永磁电机关键技术的基础上，对一台额定功率75kW，额定转速60000r/min的高速永磁电机的转子进行了结构设计，提出一种加工和充磁工艺简单，能满足机械和电磁性能的新型2极转子结构。

2.1.1 高速电机的结构

高速发电机可以有多种结构形式，如感应电机、永磁电机、和磁阻电机等，它们各有优缺点。从功率密度和效率来看，选择顺序为永磁电机、感应电机和磁阻电机；然而从转子机械特性来看，其选择次序需要颠倒过来，即磁阻电机、感应电机和永磁电机。在确定高速电机结构型式时，需要对其电磁和机械特性进行综合对比研究。目前中小功率高速电机采用永磁电机较多，中大功率高速电机采用感应电机较多。

2.1.2 高速永磁电机转子关键技术分析

电机在高速旋转时转子的离心力很大，当线速度达到200m/s以上时，常规叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子。对于永磁电机来说，转子强度问题更为突出，因为烧结而成的永磁材料不能承受高速旋转产生的拉应力，必须对永磁体采取保护措施。转子强度的准确计算和动力学分析是高速电机设计的关键技术。为了保证永磁电机的机械和电磁性能，在永磁转子设计中还需要重点考虑以下问题: 2.1.2.1转子直径和长度的选取

高速永磁电机的转速很高，一般都在20000r/min以上，甚至高达十几万转，转子旋转时将产生很大的离心力。从减小离心力的角度来看，高速电机转子直径应选得越小越好，所以高速电机转子一般为细长型。然而转子要有足够大的空间放置永磁体和转轴，因而转子直径不可过小。而且为了保证转子具有足够的刚度和较高的临界转速，转子轴向不可过长。特别是对于采用磁悬浮轴承的高速电机转子，为了减小跨越临界转速时磁悬浮控制的难度，希望设计成为刚性转子，采用适当的转子长径比。高速永磁转子的直径和长度需要进行电磁和机械特性分析后才可确定。

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2.1.2.2 永磁材料的选取

高速电机的永磁体不仅要具有良好的磁性能，即较高的剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积，而且应具有足够高的工作温度和热稳定性。由于高速永磁转子的高速、高频附加损耗较大而散热条件较差，防止转子过热造成永磁体不可逆失磁，是需要考虑的一个重要问题。

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，这种永磁材料的剩余磁感应强度Br约为1.05～1.13T， 矫顽力不小于756kA/m，而它的工作温度不大于180℃，居里温度约为340℃。 2.1.2.3 永磁体的保护

高速永磁电机选用的稀土永磁体为烧结钕铁硼，是一种类似于粉末冶金的永磁材料，能承受较大的压应力(1000MPa)，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(＜100MPa)。如果没有保护措施，永磁体将无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力而破坏。

目前，保护永磁体的措施有两种：一种保护方法是用采用碳纤维绑扎永磁体，另外一种是在永磁体外面加一高强度非导磁保护套。

采用碳纤维绑扎时绑扎带的厚度较小，而且不产生高频涡流损耗；但是碳纤维绑扎工艺比较复杂。为了屏蔽气隙磁场中的高次谐波，减少永磁体中的磁滞损耗，一般需要在永磁体表面放置一层薄铜片，这就进一步增加了对加工工艺的要求，而且不利于转子动平衡；碳纤维是热的不良导体，这对永磁体的散热不利。

本设计中高速电机的永磁转子采用非导磁高温合金钢对永磁体进行保护，如图2.1所示。根据永磁体抗压性能远大于抗拉性能的特点，护套和永磁体之间采用过盈配合，即对静态永磁体施加一定预压应力，以抵消高速旋转时离心力产生的拉应力，并保证永磁体在转子高速旋转时始终承受适当的压应力。永磁体与护套之间需要采用多大的过盈量，需要根据永磁转子结构、转子运行速度范围和材料特性，进行转子强度分析，计算高速旋转时永磁体和护套的应力和应变后方可确定。

图2.1 高速永磁电机的转子

永磁体

护套

非导磁合金钢不但可以有效的屏蔽气隙磁场中的高次谐波，而且是热的良导体，对转子冷却非常有利。

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