材料物性對高速永磁電機轉子強度影響分析

賈金信 蘇久展 閆瑾

摘 要：針對高速永磁轉子強度問題，給出了含有轉子材料物理參數的高速轉子強度解析表達式。以一臺10kW，額定轉速60krpm的永磁同步電機為研究對象，基于解析法，詳細研究了高速轉子護套、磁鋼材料的彈性模量、泊松比等物理屬性對轉子強度的影響，并進行了有限元仿真驗證。最后，總結了各參數對轉子強度的影響規律，為高速轉子關鍵材料物理參數的合理選取提供了理論依據。

關鍵詞：高速永磁電機;轉子強度 ;彈性模量;泊松比

前言

高速永磁電機具有體積小、高效及高速直連驅動等優點，在離心壓縮機、渦輪增壓器、飛輪儲能等應用領域具有廣闊的應用前景 [1]。

對于高速永磁電機，轉子磁鋼和高強度護套的合理設計對轉子強度至關重量，目前多數文獻詳細研究了轉子強度解析及仿真分析設計，而對物料屬性參數如何影響轉子強度的研究卻還沒有文獻涉及，同時不同文獻，相同的材料，選用的材料物理參數卻多有不同[2-4]，給讀者帶來一定疑惑。如釹鐵硼的彈性模量取值范圍在120～160GPa之間，泊松比取值范圍在0.23～0.26之間，護套的彈性模量取值范圍在199～205GPa之間，泊松比變化取值范圍在0.26～0.3之間。

本文以實心磁鋼高速轉子拓撲為基礎，推導了含有護套、磁鋼物性參數的轉子強度工程解析式，詳細研究了護套、磁鋼材料的彈性模量、泊松比對高速轉子強度的影響規律，對高速電機設計有較大工程指導意義。

1 模型及解析計算原理

如圖1所示的高速轉子拓撲結構，保護套外圓半徑rc，磁鋼外圓半徑rb。為方便推導，定義如下符號，如表1所示。

1.1 靜態過盈應力計算

1.3 裝配過盈量計算

護套和磁鋼外徑rc、rb分為15.5mm，12.5mm。磁鋼及護套的物性參數典型值如表2所示。下文將在轉子過盈量為0.0292mm，1.2倍額定轉速條件下，研究護套和磁鋼材料的彈性模量、泊松比在其典型值附近變化時，對轉子結構強度的影響。

2 護套物性對轉子強度影響

2.1 護套材料彈性模量對轉子強度影響

護套彈性模量Ee在194GPa ～210GPa范圍內，護套等效應力隨Ee的增加而線性增加，磁鋼徑向應力和切向應力大小也隨Ee的增加而線性增加，但增加幅度較小。如圖2所示，護套等效應力、磁鋼徑向及切向應力采用解析法和有限元法的計算結果均較為接近，最大誤差1.86%。

2.2 護套材料泊松比對轉子強度影響

護套泊松比νe在0.24～0.35范圍內，隨νe的變化，轉子護套等效應力、磁鋼徑向及切向應力基本不變。如圖3所示，護套等效應力、磁鋼徑向及切向應力采用解析法和有限元法的計算結果均較為接近，最大誤差2.48%。

3 磁鋼物性對轉子強度影響

3.1 磁鋼材料彈性模量對轉子強度影響

磁鋼彈性模量Em在140GPa ～175GPa范圍內，轉子護套等效應力隨Em的增加而線性增加，磁鋼徑向應力和切向應力大小也隨Em的增加而線性增加，但增加幅度較小。如圖5所示，護套等效應力、磁鋼徑向及切向應力采用解析法和有限元法的計算結果均較為接近，最大誤差1.84%。

3.2 磁鋼材料泊松比對轉子強度影響

磁鋼泊松比νm在0.19～0.29范圍內，隨νm的變化，護套等效應力、磁鋼徑向及切向應力基本不變。如圖6所示，護套等效應力、磁鋼徑向及切向應力采用解析法和有限元法的計算結果均較為接近，最大誤差1.97%。

4 結 ?論

本文基于解析法和有限元法，詳細研究了高速轉子關鍵部件材料的物理屬性對轉子強度的影響，并得出以下結論：

（1）推導了含有轉子材料物性變量的高速轉子強度解析計算表達式，該解析法與有限元法有較高的一致性，偏差在2%左右;

（2）對于實心磁鋼高速轉子，保護套和磁鋼的彈性模量對轉子護套和磁鋼的應力有一定的影響，應力大小隨彈性模量的增大而線性增加，對護套應力影響更顯著一些。

（3）在一定范圍內，高速轉子材料的物性對轉子強度影響不大，泊松比、密度取值在材料物性典型值附近即可，而彈性模量取值需盡量核實準確，不能偏離典型值太多。

參考文獻：

[1]肖家鍇，鄭高峰，劉朋熙，等.高速電機發展現狀以及關鍵技術綜述[J].電氣傳動，2020，50（10）：3-9+15.

[2]程文杰，耿海鵬，馮圣，等.高速永磁同步電機轉子強度分析[J].中國電機工程學報，2012，32（27）：87-94.

[3]韓雪巖，何心永，劉欣苗，等.高速表貼式永磁電機轉子機械強度研究[J].微特電機，2017，45（03）：5-8+12.

[4]陳亮亮. 磁懸浮高速飛輪儲能系統永磁電機轉子強度分析及轉子振動控制[D].浙江大學，2017.

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