基于ANSYS的高速表贴式永磁电机转子强度分析

对于表贴式转子结构的高速永磁同步电机,其转子在高速运行时会承受相当大的拉应力,为保证高速电机安全稳定运行,通常会在永磁体外加一层护套,并采用过盈配合对表贴式永磁体施加预压力,该护套采用不导磁合金材料,在有效保护永磁体的同时不影响电机的磁路。首先在理论层面对表贴式高速永磁电机转子进行强度分析,然后通过ANSYS Workbench对一台24kW、20000r/min的表贴式高速永磁电机转子进行有限元仿真,对比了不同静态过盈量、合金护套厚度、材料温度特性等因素对转子强度的影响,同时校核了该模型护套及永磁体的强度,并对高速永磁电机转子机械设计规律进行了总结。     

MW级高速永磁电机转子强度敏感性分析

针对MW级高速永磁电机表贴式转子结构强度问题,以一台1.12MW、18000r/min高速永磁电机为例,建立三维转子结构有限元模型,计算极限工况下永磁体及护套的应力;以护套材料、隔磁件材料、护套厚度、护套与永磁体之间过盈量等为输入变量,转子应力计算结果作为输出变量,建立正交试验数据,采用方差分析法对转子结构强度进行敏感性分析,得出转子强度敏感性因素及影响规律.同时,对比输入变量不同水平对应力结果的影响,总结出转子结构参数及材料的选取原则.     

永磁体与护套分段结构的高速电机转子强度及动力学研究

针对护套和永磁体轴向分段设计导致的强度和动力学方面的问题，以一台额定功率150 kW、额定转速30 000 r/min的高速永磁电机为研究对象，基于厚壁圆筒理论建立强度仿真模型，采用解析法和有限元法对护套轴向分段结构的转子应力分布规律和护套分段数对转子强度的影响规律进行研究，并以厚壁圆筒理论验证规律的合理性；建立转子系统动力学仿真模型，以有限元法研究永磁体和护套分段数对临界转速、不平衡响应的影响规律。结果表明，护套轴向分段提高了永磁体局部最大轴向应力和切向应力。永磁体轴向分段降低了转子各阶临界转速，尤其对采用刚度等级较高轴承的转子影响较大，同时升高了转子振幅。为高速永磁电机护套和永磁体轴向分段设计提供了强度和动力学方面的参考。     

超高速永磁同步电机转子护套设计分析及优化

超高速永磁同步电机(PMSM)转速较高,永磁体抗拉强度相对较小,需要在转子永磁体外设置护套并通过过盈配合使永磁体上产生径向压应力,抵消转子高速旋转时所产生的离心力,对永磁体进行保护。提出了一种超高速PMSM转子不导磁合金护套厚度及过盈量计算分析方法。以1台120 000 r/min超高速PMSM为例,运用有限元法进行温度场及转子静力学耦合仿真分析,对数值法进行验证,并通过优化设计,使电机转子在满足结构强度要求的情况下,合理计算护套的厚度及过盈量,有效降低转子护套的厚度,从而减小转子铁耗,为超高速电机转子设计提供参考。     

高速表贴式永磁电机转子机械强度研究

针对高速永磁电机转子旋转产生较大的离心力的问题,对高速表贴式永磁电机转子强度进行研究,改进碳纤维保护套的转子应力分析方法。考虑到转子的实际温度与不均匀分布,建立基于温度场和应力场耦合的有限元模型,提高了转子应力计算的准确性;建立护套厚度和永磁体的装配过盈量的关系模型,基于多场考虑更加合理的选取护套厚度和过盈量;针对护套受弯曲应力的问题,提出了一种混合护套的方法。经过分析表明,混合护套可以降低护套的弯曲应力,提高转子的机械强度安全系数。     

高速永磁电机转子涡流损耗解析计算

高速永磁同步电机采用变频器供电含有大量谐波、频率高等特点导致转子涡流损耗升高,从而使电机温度上升,给散热带来困难,影响电机效率、永磁体性能等指标。针对表贴式高速永磁电机,推导转子涡流损耗的解析计算,该方法在极坐标系下建立物理模型,考虑气隙长度、护套、永磁体等子域,并为了提高模型的计算精度,考虑了涡流反应影响和定子的开槽效应。以一台15kW表贴式高速永磁电机为例,采用正弦波供电和PWM供电两种供电方式,分析气隙长度、槽开口宽度以及护套材料对转子涡流损耗的影响。将解析法的计算结果和有限元法结果进行比较,验证解析方法的准确性。     

高速表贴式永磁转子强度等效计算与分析

永磁体在高速运转的情况下需要通过外装护套,减少永磁体承担离心力引起的拉应力,防止永磁体损坏。针对表贴式高速永磁电机双层护套转子强度问题,根据弹性力学,推导出受温度影响的高速永磁转子强度解析公式,并且用有限元方法验证分析,结果表明两种方法结果一致,解析法能准确计算三种运行工况下非导磁金属护套、碳纤维护套、永磁体、转子铁心的应力和形变位移量。并且进一步分别研究了两种护套厚度、永磁体厚度 、铁心内径的变化对强度的影响,总结了表贴式高速永磁电机双层护套转子强度变化规律。     

不同保护型式下的高速表贴式永磁转子应力与温升分析

针对高速表贴式永磁转子的不同保护型式,建立了三层配合下的表贴式永磁转子应力解析计算模型,基于该解析计算模型对钛合金护套和碳纤维护套保护下的永磁转子进行设计,并通过有限元法对解析计算模型的正确性进行验证。研究了不同护套材料、过盈量、极间填充材料、温度等因素对护套等效应力的影响规律。建立了高速表贴式永磁转子涡流损耗与温升的计算模型,研究了不同护套保护措施、不同填充材料下,永磁转子涡流损耗分布与永磁体温升特性。在此基础上,完成了一台高速表贴式永磁电机的设计与制造,并进行了实验,结果证明了该文计算分析的正确性。     

高速永磁电机转子过盈方式对转子应力的影响

该文对高速永磁电机（HSPMM）转子过盈方式对转子应力的影响进行研究。首先,在二维极坐标下建立了转子各部位统一几何模型的应力场数学模型,可求解不同边界条件下转轴、永磁体和护套的径向应力和周向应力。然后,基于建立的应力场数学模型得到不同过盈方式下转子应力的解析计算方法,分析了不同过盈方式对转子应力的影响。在此基础上,提出“虚拟过盈”概念及虚拟过盈下的应力计算表达式,分析了其准确度并解释了其物理意义。最后,通过有限元（FEM）分析方法对一台额定功率为50 kW、额定转速为40 000 r/min的高速永磁电机进行分析,说明了不同的过盈方式导致转子应力的差异,验证了理论分析的合理性。     

基于磁热耦合法的高速永磁电机温升计算及其应用

针对温升计算过程中材料的温度特性对损耗产生影响的问题,利用电磁场与温度场双向耦合的分析方法,并在求解过程中计及损耗的空间分布,从而实现高速永磁电机温升的准确计算。以一台15kW表贴式高速永磁体同步电机为例,考虑电机各部件装配间隙,运用磁热耦合方法计算了电机在额定转速时的温升情况,与传统温度场加载热密度法计算结果对比,并通过温升实验验证了双向耦合计算方法的准确性。以磁热耦合研究方法为基础,对高速电机护套的选材问题进行探讨,提出在护套上加装适当厚度的铜屏蔽层来降低损耗与温升,同时分析表贴式与内置式转子结构对对电机损耗与温升的影响,为高速永磁电机转子结构设计提供可靠有效的参考依据。     

大功率高速永磁电机的电磁设计与损耗分析

大功率高速永磁电机的损耗与温升等影响电机功率密度的提高。以500 kW、12 000 r/min高速永磁电机为例,分析了电机极对数、定子绕组形式、转子结构、永磁体等对电机性能特别是损耗的影响。采用电机的有限元仿真模型,对电机的转子结构强度、输出性能、损耗进行了分析计算。试制了样机并对相关性能进行试验验证,分析计算与试验结果均表明,电机达到了较高的技术指标要求,为高速永磁电机的优化设计提供了参考。     

航空电源系统用高速实心式永磁同步电机设计

针对多电飞机航空电源系统日益增长的用电需求,设计了一台额定功率为75 kW、额定转速为65 000 r/min的高速实心式永磁同步电机。此类高速电机运行速度快、损耗密度大,其设计受到多物理场的共同约束。通过有限元仿真,从电磁场、机械场和温度场三个角度对电机性能、转子强度和冷却系统进行了设计,并通过试验验证了设计的合理性。分析结果为多电飞机电源系统电机产品提供了参考依据。     

一种轴向风冷结构对高速永磁电机转子温升的抑制研究

在变频器驱动方式下,高速永磁电机具有较大的转子涡流损耗,由于其转子的散热能力较差,易使永磁体温升较高,而发生不可逆失磁现象。采用机壳水冷结构可以有效地带走电机定子侧的热量,但是对于高速永磁电机的转子部位,水冷结构的冷却效果有限。以一台15 kW、30 000 r/min的高速永磁电机为例,设计了一种风、水混合冷却结构,基于流固耦合的计算方法分析了水速、风向以及不同风道截面积对电机永磁体部位温升的影响,并得出了相对的最优值。与仅采用水冷结构相比,增加该风冷结构可使永磁体温升降低了18.1 K,该结构可对大功率高速永磁电机的冷却系统设计提供一定的参考。     

高速永磁电机转子风摩耗对温升的影响

高速永磁电机（HSPMM）结构紧凑、功率密度高、散热困难,易使转子永磁体因温度过高而发生不可逆退磁。以一台额定转速为30 000 r/min的HSPMM为例,基于计算流体力学和数值传热学的原理,从工程实际应用的角度,对不同通风量下的转子风摩耗及温升进行计算分析,并与电机温升试验进行对比。研究表明：HSPMM转子风摩耗占总风摩耗比重较大,且该比重随着流量的增加而增加;通风量达到一定值后,电机散热达到平衡,转子风摩耗随着流速的增加而急剧增加,使永磁体温度升高。增加机座水冷后,可以降低通风量,使电机达到理想温升水平。     

高速永磁发电机的设计与电磁性能分析

由于结构简单、高效率和高功率密度,永磁转子成为高速电机的首选结构,然而转子的高速旋转和定子的高频供电,对高速永磁电机的电磁与机械设计提出了新的要求。该文在分析高速永磁电机设计特点的基础上,对一台60 000 r/min、75 kW的高速永磁同步发电机进行了电磁与结构设计,基于场路耦合有限元法分析了高速永磁同步发电机的空载和负载特性,计算了负载运行时电机的电磁与机械损耗,并进行了电机的温升场分析。计算的结果表明,高速永磁发电机的设计合理,电机性能能够满足设计要求。     

燃料电池空压机电机转子结构研究

针对燃料电池空压机高速电机转子易因高速失稳而损坏、因转子过重而导致空气轴承加速磨损的问题，使用有限元法对不同转子结构的转子应力和临界转速进行了研究，提出了一种轴向预紧固定磁钢的空心转子结构。以一台额定功率35 kW，峰值转速100 000 r/min的超高速永磁电机为例，综合对比分析了不同转子结构在转子强度、临界转速、质量、转动惯量、装配工艺性以及可靠性等方面的优缺点。对比结果表明，虽然新转子结构在转子强度上稍差于几种常见转子结构，但在其他方面均具有优异的特性。最后，根据新转子结构制作了空压机样机，试验结果表明，该样机可以在100 000 r/min转速下稳定运行，验证了新转子结构设计的合理性。     

全封闭高速永磁电机转子结构对转子散热的影响

为研究转子物理结构对机壳水冷全封闭式高速永磁电机转子散热的影响,以一台15k W、30 000r/min的非晶合金高速永磁电机为例,基于流体力学和传热学理论,建立三维流固耦合共轭传热求解域模型,并给出基本假设与边界条件,采用有限体积法进行流固耦合求解,得到转子有无轴向通风孔和通风孔与风刺相配合时电机内流体流动特性及各部件的温度分布。在此基础上,研究通风孔尺寸、通风孔数量变化对流体场及温度场的影响。计算结果表明,转子引入风刺和通风孔等风压元件可有效提高转子的散热能力,降低永磁体温升。通过增大通风孔尺寸和数量可进一步降低永磁体温升。最后,对一台15k W全封闭式水冷非晶合金永磁电机进行了温升试验,并将试验数据与计算结果进行对比,验证了耦合场计算结果的正确性。     

基于滑模观测器的直驱PMSG机侧控制算法研究与应用

为适应平流水发电水流变化、转速不稳定等外部环境的变化,提高发电站的发电效率,在直驱式永磁同步发电机（PMSG）机侧控制算法的基础上,设计一种带反馈增益自调整算法的滑模观测器（SMO）,对PMSG的转子位置进行估算,从而改善低速的估计误差。通过设计一套37 kW的PMSG发电机组,并在现场进行了试验测试,验证了算法可以有效控制直驱PMSG在低速运行时的转子位置估算误差,在高速运行时算法能够快速收敛,满足PMSG控制要求。