高速永磁電機轉子設計與強度計算

李興波

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

高速永磁電機轉子設計與強度計算

李興波

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

永磁電機具備結構簡單、力能密度高、無勵磁損耗、效率高等諸多優勢，最適用于高速電機中。采取解析法對轉子與軸承系統的動力學進行分析，可對高速永磁電機運行的安全性、可靠性有至關重要的影響。因此，做好高速永磁電機轉子設計與強度的計算尤為重要。

高速永磁電機；轉子設計；強度計算

近年來，高速電機的應用領域越發廣泛，受到業內人士的關注。永磁電機由于結構簡單，力能密度較高，又具備無勵磁損耗，效率較高等特點，更適用于高速電機中。通過實踐分析得知，在高速永磁電機的設計過程中，最為關鍵的就是轉子設計。為研制開發出工作效率更高，運行更為可靠的高速永磁電機，筆者重點闡述了高速永磁電機轉子的設計與強度計算等問題，供廣大同行參考借鑒。

1 高速永磁電機轉子結構的設計

1.1 高速永磁電機轉子外徑的選取

在高速永磁電機轉子的設計上，電磁與機械是要統籌考慮的兩個方面，因為永磁電機的轉子不僅要為定子繞組提供較強的旋轉磁場，還要承受高速旋轉過程中所產生的離心力。因為離心力和旋轉速度之間往往呈現正比關系。為了進一步降低離心力，在高速永磁電機轉子外徑的選取上必須保持一個合理的比例。必須保證高速永磁電機轉子有足夠的空間去安裝永磁體、鐵心、繞組，還要有足夠的剛度。

1.2 高速永磁電機極數的選取

通常情況下，高速電機級數采用的是2極或4極。2級電機便于永磁體整體結構的安裝，以確保永磁轉子的機械性能與電磁性能呈現出對稱性，且2極電機的定子鐵心磁場和繞組電流頻率僅為4極電機的一半，有利于降低電機的定子鐵耗與銅耗。雖然2極電機定子繞組的端部較長，需要定子鐵心軛部的面積較大，但從機械與電磁兩個方面進行綜合考核，高速永磁電機轉子結構還是采用2極更為適合。

1.3 高速永磁電機永磁體材料的選取

永磁體材料的性能直接決定了高速永磁電機的整體性能，所以，必須做好永磁體材料的選取工作。第一，選擇那些剩余磁通密度、矯頑力和最大磁能積較大的永磁材料；第二，選擇耐高溫的永磁材料；第三，選擇機械性能較好的永磁材料。

1.4 高速永磁電機永磁體的保護

在不施加保護措施的前提下，永磁體本身無法承受轉子在高速旋轉過程中所產生的離心力。所以，必須對永磁體采取必要的保護措施。可以在永磁體外面添加一層非導磁保護套，并使永磁體與護套之間采取過盈配合。基于上述諸多方面的綜合考量，采取外加保護套的高速電機永磁轉子結構型式(圖1)。該電機采用的是2極結構，永磁體材料采用的是高性能燒結釹鐵硼，永磁體采用的是整體結構。在永磁轉子直徑與長度的選取上，應結合電機的額定功率與轉速，通過優化設計電磁與機械性能后加以確定。

圖1 一種高速永磁電機轉子結構示意圖Fig.1 High-speed permanent magnet motor rotor structure schematic diagram

2 高速永磁電機轉子強度的計算分析

因為永磁體本身不能承受較大的拉應力，為了合理控制永磁體所承受的拉應力，往往通過永磁體與保護套之間采用過盈配合，便于補償轉子高速旋轉時因為離心力所產生的拉應力。對轉子強度進行的科學分析，是為了校驗永磁體與護套之間所承受的應力是否在合理范圍內，進而確定應該采取多大的過盈量，施加多大的預壓力，以確保高速永磁電機的安全穩定運行。

永磁轉子的具體結構尺寸，如圖2所示。從圖2中可以清楚的看到永磁體形狀、護套形狀均比較規則，可以結合彈性力學理論運用解析法對其應力進行具體分析。

注：rco-護套外半徑；rci-護套內半徑；rmo=-永磁體外半徑；rmi-永磁體內半徑；ps-永磁體預壓力。圖2 轉子的結構尺寸圖Fig.2 Rotor structure dimensions

在靜應力作用下的強度計算分析：

將徑向裝配應力用如下公式表達：

將切向裝配應力用如下公式表達：

將裝配應力第四相當應力用如下公式表達：

在工作應力作用下的強度計算分析：

結合高速電機的實際轉速與溫度情況，可將工作過程中的永磁體徑向裝配應力用如下公式表達：

將工作過程中的永磁體切向裝配應力用如下公式表達：

將工作過程中的永磁體旋轉徑向動應力用如下公式表達：

將工作過程中的永磁體旋轉切向動應力用如下公式表達：

徑向總應力應該為：

切向總應力應該為：

第四相當應力應該為：

3 結語

依據電機運行原理，采用解析法對高速永磁電機轉子強度計算進行粗淺分析，并提出了高速永磁電機轉子的結構設計思想，希望通過筆者的闡述，為廣大同行在轉子與軸承系統的動力學分析上提供有益參考，為高速永磁電機的研制與開發奠定堅實的基礎。

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Design and strength calculation of high speed permanent magnet motor rotor

LI Xing-bo

(Jiamusi Electric Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Permanent magnet motor has the advantages of simple structure, high energy density, no excitation loss and high efficiency. It is most suitable for high speed motor. The analysis of the dynamics of the rotor and the bearing system can be used to analyze the safety and reliability of the high speed permanent magnet motor. Therefore, it is very important to make the design and strength calculation of high speed permanent magnet motor rotor.

High speed permanent magnet motor; Rotor design; Strength calculation

2017-05-25

李興波(1986-)，男，本科，工程師。

TM336

A

1674-8646(2017)14-0028-02