高速內置式永磁電機轉子機械強度研究

王巖

摘 要：文將通過了解受力平衡的一些原理，推理和分析在一些較為不常見的極端情況下，內置式高速永磁電機轉子隔磁橋的最大應力的計算公式，進而再對高速內置式永磁電機轉子的機械強度做進一步的研究與學習。為了分析最大應力受隔磁橋寬度的影響規律，我們將運用解析公式和有限元兩種方法依次對其進行隔離分析。結果：解析解所得到的結果和有限元所得到的結果最大誤差都被控制在百分之七點五之內，這就說明解析推導是正確的。再對永磁體進行分段（沿著圓周的方向），這就會增加隔磁橋的個數，相應地，其應力也會被相應地分散到諸多個隔磁橋之上，進而能夠起到對應力最大值減小的作用。在有限元的方法作用下，永磁體不分段或者分二、三段時轉子強度和空載漏磁因數。

關鍵詞：永磁電機；漏磁因數；高速度

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）15-0040-01

想要實現超高速加工，就需要加快對高速加工技術的發展與突破，其物質基礎就是超高速數控機床。而我們知道，超高速數控機床的中心部位就是高速電主軸電機，所以超高速加工的性能在很大的程度上都是由它的性能來決定的。現如今我們比較常見的高速永磁電機大都是運用表貼轉子磁路結構。和標貼式結構相比起來，內置式永磁電機的內部結構和制作是相對較為簡單的，而且它的凸極率也是比較大的，這就對提高電機自身的過載能力和功率自身的密度有很大的提升作用。所以其受到很廣泛的關注。

1 基本假設和隔磁橋應力解析推導

在一般正常的運行中，轉子會受到許多來自外界的因素影響[1]。諸如：離心力、熱應力、電磁力等等。在后面的文獻中我們隊其在運作當中所不同的作用力對其的影響進行了詳細的具體研究，結論如下：電機在高速旋轉的時候，由于受到離心力的影響，就會顯得格外突出明顯，這一影響是其他幾個所不能與之相比的。借此，我們可以做出以下假設：（1）由于點擊在高度運作的時候，離心力的影響要遠遠比其他因素所帶來的影響大，所以我們可以假設告訴旋轉的電機受影響的只有離心力；（2）將溫度上升對轉子的影響因素排除在外；（3）將電機震動的影響因素排除在外不考慮。如果我們需要對機械的強度進行九三時，第一步就需要對電機最薄弱的部分進行估測。

2 內置式永磁電機轉子機械強度研究

運營兩種不同的解析公式和軟件對隔磁橋的寬度受力變化進行了計算。其變化值在1.2mm到2.0mm之間。如果我們用有限元對隔磁橋的寬度計算時，是2.0mm，其電機在轉子受力的情況所呈現的，電機轉子受力最大的一個部分是在點擊的倒角和隔磁橋相互接連的地方。這一部分除了要承受拉應力，還要對剪應力所同樣的承受力。而真正和永磁體直接接觸的那一部分受力卻比較小。

3 永磁體分段后的電磁性能分析

在永磁體分開之后，電機的空載漏磁因數也就會隨著變大。本篇文章運用電磁場軟件對永磁體不分段和分兩段三段做了分別計算[2]。我們以3mm的情況作為一個例子。當永磁體在不進行分段的時候，電機的空載漏磁因數之有2.26，但是當永磁體分為兩段時，這個數值變為2.46，而進一步劃分為三段的時候，這個數值又會發生變化，為2.55.雖然永磁體在分為三段之后，電機的空載漏磁數值會有很大的增大變化，但是為了與機械強度相符合吻合，我們還是要把永磁體分為三段以上。

隨著對隔磁橋自身的寬度的擴展，轉子的最大應力下降幅度也會隨之之間減少，直至減少至2mm左右的時候才會穩定下來。如果我們繼續對隔磁橋的寬度進行擴展，這對轉子機械的強度的改善效益甚微，但是者卻會使得電機的漏磁因數大幅度增加。進而對電機電磁性能產生較大影響。所以我們在對其增加的過程中要適量而行，切不可盲目。

4 結語

本文對內置式永磁電機在離心力的影響之下，轉子隔磁橋最大應力解析的計算公式做了分析，同時用有限元的方法對其的正確性進行了驗證。實驗當中，用一臺15KW、3000r/min電機的轉子機械的強度和電磁分析作為案例，得出了以下結論：

（1）在不采取任何保護措施的情況下，內置式永磁電機的轉子隔磁橋部位會受到很大的應力影響（相比機械設備中的其他位置）。我們通過對隔磁橋的寬度進行擴展的方式，能夠在一定程度上對隔磁橋部位所承受的應力做相應的減少。但是，如果只是單單萍姐依靠該方法是不能對轉子的強度有效提高的。（2）從手里平衡的原理上來推導，內置式永磁電機轉子隔磁橋所能承受的最大應力的計算公式，我們通過有限元對此加以驗證。這種解析模型可以自初期的高速內置式永磁電機轉子隔磁橋機械強度上進行一定的預估計算使用。（3）沿著圓周的方向對永磁體做分段，這可以有效地對隔磁橋的最大應力進行減壓，相比于不對永磁體進行分段，分兩段的情況下，隔磁橋的最大應力能夠直接降低百分之五十八點五左右。如果再將其分為三段，又會比分成兩段的時候減少百分之三十以上。

參考文獻

[1]張超，朱建國，韓雪巖.高速表貼式永磁電機轉子強度分析[J].中國電機工程學報，2016（17）：4719-4727.

[2]李振平，占彥.高速永磁同步電機的轉子結構強度分析研究[J].機電工程，2016（7）：900-903.endprint