高速永磁电机转子系统临界转速仿真研究

采用有限元法建立永磁电机轴承-转子系统动力学模型,在考虑转子离心力和不平衡磁拉力的基础上同时考虑转子系统高速旋转时的陀螺效应,利用ANSYS软件对某高速永磁电机转子进行动力学仿真分析.采用数值计算方法与仿真结果对比,验证了高速永磁电机进行转子动力学分析时考虑陀螺效应的必要性.最后研究采用滚动轴承支撑时不同支撑刚度对永磁电机临界转速的影响,给出提高电机临界转速的工程措施.     

大功率高速永磁电机柔性转子系统模态分析

高速电机的转速高、转子细长,与常速电机相比接近临界转速的可能性大大增加,当电机额定转速接近临界转速时,电机会发生剧烈的振动,甚至使转子损坏。大功率高速电机的转子长度远远大于转子直径,很难设计为刚性转子,需要穿越1阶临界转速,工作在1阶临界转速和2阶临界转速中间的安全区域,而这个安全区域的范围却很小,这对大功率高速电机转子系统的动力学设计带来了极大的困难。基于一台1.12MW、18 000r/min的高速永磁电机,对转子系统的动力学特性进行理论分析,对有叶轮和无叶轮状态下的转子模态和临界转速进行计算,分析轴承支承刚度、陀螺效应以及转子主要尺寸对临界转速的影响,并通过样机进行了实验验证,总结了相应的规律,为大功率高速电机挠性转子的设计提供了参考。     

多自由度永磁同步电机转子动力学特性分析

多自由度永磁同步电机含有球壳型转子,电机额定转速接近临界转速时,电机会产生多重共振,影响电机正常运行;电机转子转速需穿越1阶模态的临界转速,工作在1阶模态临界转速和2阶模态临界转速之间的安全范围。根据转子系统动力学特性,建立自由状态下的转子数学模型,对有限元法与解析法进行对比分析;分析了转子陀螺效应对临界转速的影响,并进行了转子轴承刚度对临界转速是否有影响的有限元验证;测试了不同转子轴承刚度情况下,弯曲模态与形变位移之间的关系;通过实验验证球形转子的转速与振幅之间的关系,总结出相应的规律,为该类电机的优化设计和控制提供了理论依据和数据。     

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。     

应用一维有限元法分析电机主轴的临界转速

针对电机主轴转子的结构,采用一维有限元的方法,考虑了轴分布质量的平动惯量、转动惯量、陀螺效应和剪切变形的影响,建立了参数化的一维电机主轴转子动力学有限元模型,该模型便于调整轴承刚度和转轴结构尺寸参数,避免了重复建模,有利于缩短转子系统的设计周期,优化产品结构;使用该模型计算和分析了轴承刚度和中间轴直径对电机主轴临界转速的影响,结果表明,陀螺效应对电机主轴第一阶和第二阶临界转速的影响非常小,当轴承刚度大于一定值时,临界转速的增加随刚度的增加呈线性趋势,临界转速对中间轴的直径非常敏感.     

高速爪极电机外永磁转子设计

为了解决内转子结构高速永磁电机转子保护套导致的等效气隙大和散热困难等问题,本文研究了一种外转子结构高速永磁爪极电机。计算了不同温度时转子铁心和永磁体应力分布情况,分析了外永磁转子不同模态下的临界转速与转子动力学特性,研究了轴承刚度对转子临界转速的影响,分析了转子结构尺寸与主要电磁性能参数的关系,提出了该类电机外永磁转子综合设计方法,并研制了一台1.5k W试验样机。通过样机空载和负载试验验证了外转子结构高速爪极电机的可行性和设计方法的正确性。     

支承参数对转子临界转速的影响研究

以某转子为研究对象,基于有限元分析软件ANSYS建立该转子的临界转速,计算有限元模型。通过固定其他支承参数逐渐改变支承主刚度与主阻尼的方式,对该转子进行临界转速计算,获得采用不同支承参数的转子临界转速。分析了转子临界转速随支承主刚度与主阻尼的变化规律,结果表明:支承主刚度小于200 GN/m时,该转子的各阶临界转速随主刚度的变大而升高的趋势明显,支承主刚度大于200 GN/m时,继续增大主刚度对该转子临界转速的影响较小;支承主阻尼在一10~10 MN·s/m内取值,对转子临界转速无明显影响。分析结果可为该转子的设计提供参考。     

高速永磁电机电磁轴承转子系统的动力学及实验研究

高速永磁电机由于其转速高、体积小和功率密度大等优点,在众多行业有着非常广阔的应用前景,然而转子的高速旋转也对其支承系统提出了很高的要求。电磁轴承作为一类非接触式支承系统,非常适用于高速永磁电机。针对一台40 000 r/min、50 kW的高速永磁同步电机进行了电磁轴承转子系统设计,具体包括承载力设计、控制器设计、电流/位移刚度实验标定以及系统性能分析。最后对该支承系统进行实验研究。实验结果表明,高速永磁同步电机在额定转速范围内,电磁轴承转子系统可以稳定工作,进而验证了该设计方法的合理性。     

非线性接触下磁悬浮电机柔性转子系统模态分析

针对磁悬浮电机转子系统模态分析误差较大的问题,提出考虑转子组件间的非线性接触行为,基于罚函数方法通过修正优化接触刚度因子实现对电机柔性转子系统模态的精确分析。通过建立弹性支承转子–轴承系统有限元分析模型,得到了在不同的支承刚度下转子系统前10阶固有频率的仿真值及变化规律。进行模态测试实验验证,结果表明仿真分析和测试值吻合较好,并对加动平衡环后的转子系统进行固有频率的仿真,其结果的准确性在试验样机穿越临界转速时得到了验证。     

带弹性支撑和挤压油膜阻尼器的高速电机支撑系统实验研究

以100 kW级工作转速为45 000 r/min的高速永磁同步电机为实验样机,对采用鼠笼式弹性支撑和挤油膜阻尼器的滚动轴承支撑系统进行研究。分析了弹性支撑和挤压油膜阻尼器的刚度和阻尼特性,在此基础上分别计算出刚性支撑和弹性阻尼支撑时轴承–转子系统的临界转速和瞬态动力特性。最后在样机上进行对比实验,并对电机机壳振动加速度和弹性支撑笼条微应变信号进行分析。结果表明,弹性阻尼支撑可以使转子以较低的转速通过其刚体模态,同时对转子的振动起到良好的抑制作用。实验样机稳定运行在设计工作转速,其分析和实验结果为高速电机轴系设计和动力学分析提供了参考。     

高速永磁电机转子过盈配合设计及仿真研究

永磁体不能承受电机高速运行时产生的拉应力,通常在永磁体外表面装配非导磁合金钢护套,通过过盈配合连接来保护永磁体。过盈量的选取非常重要。介绍了一种转子护套和永磁体过盈量的设计方法,通过设计实例,利用解析法计算转子护套和永磁体在静态装配、冷态运行和热态运行三种不同工况下的应力,对热套工艺参数和松脱转速进行了计算,并且进行了有限元仿真验证。对过盈配合的影响因素进行了研究,为高速永磁电机转子护套与永磁体过盈量的设计提供了依据。     

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。     

抽水-蓄能水轮发电机组轴系临界转速分析

建立了水轮发电机组轴系横向振动的动力学模型,用ANSYS有限元程序分析了某抽水一蓄能水轮发电机组轴系的横向振动临界转速。介绍了计算中对于发电机转子、转轮的模化方法,以及导轴承刚度的计算与处理过程。     

600MW超临界空冷机组基础及轴承座刚度研究

介绍了600MW超临界空冷机组的基础与轴承座刚度特性的有限元分析方法和测试方法,给出了三缸四排汽式600MW超临界空冷机组基础与轴承座的静刚度三维有限元计算结果,以及对一台同等级超临界机组现场实测研究所获得的机组基础横梁动刚度和设备安装固定后基础梁与轴承座综合动刚度数据,并在实测轴承座综合刚度及某公司采用的轴承支撑刚度条件下对轴系临界转速进行了计算和对比分析。通过对该型机组基础及轴承座刚度特性的研究,得到了600MW超临界空冷机组各轴承座综合刚度数据,以期指导同类机型或同等级机组的轴系动力特性设计。     

磁悬浮汽轮机多盘转子动力学建模与参数辨识

带有圆盘的轴承–转子系统会出现附加模态,即圆盘与转轴之间的耦合振动模态。基于梁理论的二维有限元法是转子动力学解析分析主要方法之一,但难以考虑圆盘与转轴之间的耦合振动对多盘转子系统动力学特性的影响。针对磁悬浮汽轮机多盘转子结构特点,在基于欧拉伯努利梁理论的二维有限元法基础上,引入角刚度及角阻尼系数考虑盘轴耦合振动对轴承–转子系统动力学特性的影响,建立磁悬浮汽轮机电磁轴承-柔性转子系统动力学解析模型,并结合模态测试试验给出解析模型参数辨识方法。最后以某型船用磁悬浮汽轮机样机为对象,通过实验验证所提动力学建模和参数辨识方法的正确性。     

高速永磁同步电动机无速度传感器矢量控制

研究了一种以定子电流为状态变量的高速永磁同步电动机无速度传感器模型.该速度传感器将参考模型q轴电流与可调模型q轴电流之差作为误差信号送入PI调节器调节后得到估计转速.为了确保特殊结构的高速永磁同步电机参数计算的准确性,建立了其场路耦合模型,并利用该模型计算了电机的交、直轴电感、转子磁链等参数.在此基础上进行了无速度传感器矢量控制仿真,仿真结果结果表明所提出的控制方案能准确检测高速永磁同步电动机的转子位置和转子速度,电机高速运行时具有良好的动态和稳态运行性能.     

双边永磁励磁游标电机运行原理及电磁特性仿真研究

为了进一步提高电机的功率密度和转矩密度,以满足直驱系统低速、大转矩的运行工况,提出一种新型双边永磁励磁游标(DPMEV)电机。该电机定子和转子上均放置有永磁体,利用定、转子齿对气隙磁导的双向调制作用,将两组永磁体产生的永磁磁场调制成少极数、高转速的有效谐波磁场,并根据有效谐波磁场设计电枢绕组,从而使定、转子上两组永磁体同时与电枢绕组耦合。介绍了DPMEV电机的拓扑结构。基于等效磁路法,对该电机的气隙磁通密度进行了分析,表明该电机可利用气隙磁导的双向调制作用,实现电机功率密度和转矩密度的有效提高。在深入分析电机工作原理的基础上,通过有限元法对DPMEV电机进行了计算和分析,验证了该电机具有适用于直驱系统的高功率密度和高转矩密度特性。     

高速隐极同步发电机电磁振动分析及抑制

对高速隐极同步发电机气隙磁场以及径向电磁力波进行有限元仿真计算与分析,研究并总结了不同磁导率磁性槽楔和不同槽分度数对电机电磁激振力的影响规律,形成抑制该类电机电磁振动的优化方案。通过开展高速发电机机脚实测振动频率与电磁激振力波频谱对比研究,验证了径向电磁力波计算与分析的正确性。在此基础上,对优化方案下的电机电磁振动进行预估分析,转子齿谐波振动加速度级降低达13.5 d B,总振级降低4.6 d B,从而验证了优化方案的有效性,相关分析方法和优化措施为抑制该类发电机的电磁振动提供可靠的参考。