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(1为了提高电机的力能密度和效率,应该选用剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积较大的永磁材料。
(2永磁材料的退磁曲线在允许工作温度范围内应该呈线性变化。
为了保证永磁转子工作温度不超过永磁体的退磁温度,应选用耐高温的永磁材料。
由于永磁转子承受巨大的离心力,永磁材料的机械性能也是选择时需要考虑的问题。
综合技术要求和材料成本,目前在高速永磁电机设计中,多选用耐高温的烧结钕铁硼永磁材料。
2.4永磁体的保护
烧结钕铁硼是一种类似于粉末冶金的永磁材料,能承受较大的压应力(1000MPa,但不能承受大的拉应力,其抗拉强度一般低于抗压强度的十分之一(<
80MPa。
如果没有保护措施,永磁体无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力【3J。
保护永磁体的方法之一,是在永磁体外面加一高强度非导磁保护套,永磁体与护套问采用过盈配合。
另外一种保护方法是用采用碳纤维绑扎永磁体。
与采用非导磁钢保护套相比,碳纤维绑扎带的厚度要小,而且不产生高频涡流损耗。
然而,碳纤维是热的不良导体,不利于永磁转子的散热【3’6,8】。
2.5永磁转子的总体结构
基于上述诸方面考虑,本文采用了外加保护套的高速电机永磁转子结构型式,如图1所示。
图1一种高速永磁电机转子结构示意图
Fig.1A
mtorst邝ctIl№ofhiglIspeed
pe珊anentmagnetmachine
高速电机采用2极结构。
永磁材料选用耐高温(工作温度耋180℃高性能烧结钕铁硼。
永磁体采用整体结构,以保证电磁与机械特性的对称性。
永磁转子的直径和长度,根据电机的额定转速和功率,经过对电磁和机械性能的优化设计后确定。
3转子强度分析
3.1转子强度分析的目的
转子强度分析的主要目的,是通过静态和高速旋转时动态的应力分析,校验永磁体和护套是否能够承受所允许的应力,保证高速电机的安全运行。
由于永磁体能够承受很大的压应力而不能承受较大的拉应力,永磁体和保护套之间需要采用过盈配合,使永磁体静态承受一定的压应力,补偿高速旋转时离心力产生的拉应力,使永磁体承受的拉应力在材料所许可的范围之内。
需要给永磁体施加多大的预压力,永磁体和保护套之间需要采用多大的过盈量,是转子强度分析所要解决的问题。
永磁转子的结构尺寸如图2所示。
由图2可看出,永磁体和护套的形状比较规则,可根据弹性力学理论采用解析法进行应力分析13J。
注:
‰一护套外半径:
^厂护套内半径:
‰~永磁体外半径rm厂永磁体内半径;
风一永磁体预压力。
图2转子的结构尺寸图
Fig.2Rotor
st棚ctu豫and
diInemio璐
144中国电机工程学报第25卷
(3等效应力计算
永磁体既承受径向力又承受切向力,是一种复
合应力,需要校核其等效应力。
式(17是一个简化的等效应力计算公式,它忽
略了轴向应力的影响,在轴向应力较小时比较准确。
然而由于高速电机转子的永磁体和护套之间采用较
大的过盈配合,而且轴向受到装配预压力的约束,
所以必须考虑轴向应力对等效应力的影响。
在有限元分析中,采用了2D轴对称模型,虽
然忽略了扭矩(因为其值较小对剪切应力的影响,
但考虑了轴向应力的作用。
图7为有限元法计算得
到的永磁体轴向应力的分布。
可以看出,永磁体两
端的轴向应力较大,而中间部位轴向应力较小。
图7有限元法计算的永磁体动态轴向应力
Fig.7Dyn锄icaxialstr鹤sdis埘butionofPM
解析法和有限元法计算的永磁体旋转动态等效
应力的对比如图8所示。
由于轴向应力的影响,永
磁体沿轴向等效应力的分布是不同的。
在图8中分
别给出了用有限元法计算的永磁体端部(,=O处
截面上和中间部位(y=0.0625m处截面上的等效
应力分布曲线。
可以看出,解析法与有限元法计算
的永磁体等效应力分布有较大的差别,其原因是,
解析法计算合成等效应力时没有考虑轴向应力的影
响。
由图8中的曲线可以看出,永磁体端部轴向应
力较大,故有限元法与解析法计算结果差别较大;
永磁体中部由于轴向应力较小,故有限元法与解析
法计算结果差别变小。
可以证明,如果不计轴向应
力的影响,两种方法计算结果一致。
山
=
、
R
通
籁
神
粕
需
图8永磁体的动态等效应力
Fig.8DynaInicequiValentstressofPM
由径向和切向应力计算结果可知,永磁体旋转
时承受的径向和切向力皆为压应力,故旋转时的等
效应力也应为压应力。
由永磁体的材料性质可知,
永磁体能够承受较大的压应力,而只能承受很小的
拉应力。
通过永磁体与护套之间的过盈配合,施加
一定的预压力使永磁体高速旋转时仍处于受压状
态,因而可以保证永磁体不会被拉应力破坏。
5结论
(1永磁电机由于其结构简单和力能密度较
高等优点,特别适用于高速电机。
然而永磁体的抗
拉强度较小,难以承受高速旋转巨大离心力产生的
拉应力,需要采取高强度非导磁护套保护。
永磁体
与护套之间采用过盈配合,通过施加一定的预压力
使永磁体高速旋转时不承受拉应力。
永磁体与护套
之间的过盈量需要通过准确的应力分析计算确定。
(2高速电机转子强度分析中,径向和切向
应力用解析法和有限元法的计算结果十分接近。
解
析法采用的合成等效应力的简化计算公式,由于忽
略了轴向应力的影响,用以计算轴向应力较大情况
下的等效应力时误差较大。
有限元分析中考虑了轴
向应力的影响,计算结果比较准确。
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