內(nèi)置式高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析

趙亮

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-6249

摘? 要：內(nèi)置式高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行時，因受到巨大離心力的作用，極易受到損壞。針對該問題借助有限元軟件對“一”字型徑向充磁內(nèi)置式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了強(qiáng)度仿真分析。提出了一種永磁體“一”字型分段內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過計算不同加強(qiáng)筋數(shù)量時轉(zhuǎn)子所受的最大應(yīng)力，總結(jié)出加強(qiáng)筋數(shù)量對轉(zhuǎn)子機(jī)械性能的影響規(guī)律，通過結(jié)果對比得出永磁體周向分段結(jié)構(gòu)能有效減小轉(zhuǎn)子所受應(yīng)力的最大值，對高速內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：內(nèi)置式永磁電機(jī)? 強(qiáng)度分析? 加強(qiáng)筋? 有限元分析

中圖分類號：TM355? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（a）-0059-04

Mechanical Strength Analysis of High Speed Interior Permanent Magnet Synchronous Motor

ZHAO Liang

（Guoneng Baorixile Energy Corporation， Hulunbeier， Inner Mongolia autonomous region， 021500? China）

Abstract： The rotor of the interior permanent magnet synchronous motor （IPMSM） is easily damaged due to the huge centrifugal force during high-speed operation. In order to solve this problem， the strength? analysis of the rotor of the IPMSM with radial magnetization is carried out by the finite element analysis. In this paper， a "一" shaped segmented interior permanent magnet rotor structure is proposed. By calculating the maximum stress of the rotor with different number of stiffeners， the influence of the number of stiffeners on the mechanical properties of the rotor is summarized. Through the comparison of the results， it is concluded that the circumferential segmented structure of permanent magnet can effectively reduce the maximum stress on the rotor， which has a certain value for the design of high-speed built-in permanent magnet rotor guiding significance.

Key Words： IPMSM; Strength analysis; Stiffener; Finite element analysis

隨著電機(jī)的不斷發(fā)展，對電機(jī)的要求也在不斷提高，永磁電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)、體積小、功率密度大，效率高等優(yōu)點(diǎn)廣受關(guān)注[1]。但是，由于永磁電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子會承受較大的離心力，因此該類電機(jī)的設(shè)計理念與常規(guī)電機(jī)有很大不同，首先要確保高速電機(jī)結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性。電機(jī)運(yùn)行時轉(zhuǎn)子部分所受的應(yīng)力比較大，尤其是永磁體隔離橋部分所受的應(yīng)力，這成為了電機(jī)設(shè)計的一項關(guān)鍵的制約因素。而對轉(zhuǎn)子中永磁體進(jìn)行分段，增加加強(qiáng)筋的數(shù)量，可以有效減小隔離橋部分所受的應(yīng)力[2]。本文分析了永磁體的加強(qiáng)筋數(shù)量和其受力情況之間的關(guān)系。

1? 高速永磁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

對于高速永磁電機(jī)，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要可分為表貼式結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。表貼式電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體設(shè)計為瓦片型，貼附于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面。電機(jī)處于高速運(yùn)行狀態(tài)時，外層永磁體會受到巨大的離心力而與轉(zhuǎn)子脫離，因此當(dāng)采用該結(jié)構(gòu)時需在永磁體外部裝配具有一定過盈量的碳纖維護(hù)套或合金護(hù)套，以確保電機(jī)在運(yùn)行過程中永磁體能與轉(zhuǎn)子鐵心之間始終存在接觸壓力，不會因離心力被拋散或損壞[3-6]。內(nèi)置式永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子不需要護(hù)套來對永磁體進(jìn)行保護(hù)，而是將永磁體內(nèi)嵌在轉(zhuǎn)子鐵心中，所以相對于表貼式電機(jī)其電磁氣隙的長度較小。同時由于電機(jī)存在dq軸不對稱，凸極效應(yīng)產(chǎn)生的附加磁阻轉(zhuǎn)矩將進(jìn)一步提高電機(jī)的效率。常見的表貼式轉(zhuǎn)子和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

但是“一”字型內(nèi)置式永磁電機(jī)由于極靴的厚度相對較薄，且其距離旋轉(zhuǎn)中心的距離最遠(yuǎn)，當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時將受到巨大的離心力作用而產(chǎn)生嚴(yán)重形變，因此轉(zhuǎn)子的最大受力點(diǎn)將出現(xiàn)在連接極靴的隔磁橋部分，這成為了內(nèi)置式永磁電機(jī)設(shè)計的一項關(guān)鍵的制約因素。

為了改善內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的機(jī)械性能，本文選取永磁體分段式轉(zhuǎn)子，在分段永磁體中間增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，并對其機(jī)械性能進(jìn)行了計算分析。

2? 基于有限元計算的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析

本文以一臺“一”字型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高速永磁電機(jī)為例，對比了永磁體分段前后轉(zhuǎn)子應(yīng)力的變化，并對采用不同分段數(shù)時應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，轉(zhuǎn)子材料參數(shù)見表1所示。

2.1 有限元模型的建立與邊界條件施加

通過SolidWork軟件根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際尺寸進(jìn)行適當(dāng)簡化建立三維模型，并將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench當(dāng)中進(jìn)行有限元分析計算。電機(jī)轉(zhuǎn)子在實(shí)際運(yùn)行中會受到電磁力、永磁體與鐵心的吸引力以及由高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力共同作用。通過計算分析表明，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子所受的離心力遠(yuǎn)大于徑向電磁力和永磁體的吸引力，因此為了節(jié)省計算的時間，在設(shè)置邊界條件時通常將其忽略。

在內(nèi)置式轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析中作如下假設(shè)。

（1）忽略電機(jī)運(yùn)行時溫度變化對應(yīng)力計算產(chǎn)生的影響。

（2）僅考慮轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的應(yīng)力分布狀態(tài)。

（3）忽略轉(zhuǎn)子振動對應(yīng)力計算的影響。

（4）忽略電磁力對應(yīng)力計算的影響。

進(jìn)行設(shè)置的仿真條件如下。

（1）將轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓柱表面設(shè)置為圓柱支撐面約束，轉(zhuǎn)子在切向上自由，而在法向和軸向上被固定。

（2）對整體轉(zhuǎn)子模型施加離心力，轉(zhuǎn)速設(shè)置為30000r/min，旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置為與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸重合。

（3）在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，永磁體與極靴部分會發(fā)生較大形變，將硅鋼片與靠近轉(zhuǎn)子外側(cè)的永磁體上表面設(shè)置為綁定接觸。

2.2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析

首先，對永磁體不分段的情況進(jìn)行了計算，結(jié)果如圖2所示。從計算結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)子的最大受力點(diǎn)出現(xiàn)在隔磁橋部分為906.98MPa，超出了轉(zhuǎn)子鐵心材料的應(yīng)力許用范圍，該結(jié)構(gòu)不滿足電機(jī)的使用條件。

采用永磁體分段結(jié)構(gòu)，并在分段永磁體中間增加加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的厚度設(shè)計為1mm，在分段過程中應(yīng)始終保持永磁體的總長度不變，分析不同加強(qiáng)筋數(shù)量對轉(zhuǎn)子應(yīng)力大小的影響規(guī)律。

如圖3所示，從計算結(jié)果中可以看出，增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)能夠有效降低轉(zhuǎn)子所受的最大應(yīng)力。如表2當(dāng)加強(qiáng)筋數(shù)量為1根時，轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力從無加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的906.98MPa下降到443.55MPa，應(yīng)力幅值減小了51.09%;加強(qiáng)筋的個數(shù)從1根增加到2根時，應(yīng)力幅值減小了35.29%;加強(qiáng)筋的個數(shù)從2根增加到3根時，應(yīng)力幅值減小了26.22%。

從轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力的下降幅度來看，與無加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，增加一根加強(qiáng)筋的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠大幅度的增強(qiáng)轉(zhuǎn)子的機(jī)械性能，使轉(zhuǎn)子強(qiáng)度滿足于電機(jī)機(jī)械性能的要求。當(dāng)繼續(xù)增加加強(qiáng)筋個數(shù)時，轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力值也會不斷減小，但是減小程度逐漸減弱。因此，當(dāng)加強(qiáng)筋數(shù)量增加到一定程度后，僅單純增加加強(qiáng)筋根數(shù)難以有效減小轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力。同時，永磁體分段也會對電機(jī)的電磁性能造成影響，隨著加強(qiáng)筋個數(shù)的增加，轉(zhuǎn)子部分的漏磁增大，不利于提高電機(jī)電磁性能。

3? 結(jié)語

（1）從理論上分析了“一”字型內(nèi)置式轉(zhuǎn)子所受最大應(yīng)力點(diǎn)將出現(xiàn)在隔磁橋部位，并用有限元軟件進(jìn)行驗證。

（2）采用了永磁體分段、增加加強(qiáng)筋的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并對不同加強(qiáng)筋數(shù)量的轉(zhuǎn)子利用有限元軟件進(jìn)行了強(qiáng)度分析。結(jié)果表明，隨著加強(qiáng)筋數(shù)量的增加，轉(zhuǎn)子受力逐漸減小，但減小的幅度逐漸縮減。

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