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高速永磁電機(jī)與相同功率的傳統(tǒng)電機(jī)比較，其體積更小，電機(jī)相同損耗功率下的損耗密度就更大，且轉(zhuǎn)子的冷卻比定子更困難。為了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子有效的冷卻，可以對(duì)定轉(zhuǎn)子間加大氣隙處理。高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子可采用合金熱套或者碳纖維綁扎結(jié)構(gòu)，由于受碳纖維綁扎的剛度、強(qiáng)度、散熱的限制，目前在一些成熟的機(jī)組中，如Mohawk的MiTi燃料電池透平壓縮機(jī)，R&D和Honeywell的燃料電池透平壓縮機(jī)，內(nèi)置的高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子均采用合金熱套結(jié)構(gòu)。
對(duì)于雙層過(guò)盈配合的插入式裝配轉(zhuǎn)子，文獻(xiàn)列出了轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析公式，但未給出高速轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)于三層過(guò)盈配合面的裝入式裝配轉(zhuǎn)子(極弧系數(shù)小于1)，文獻(xiàn)用一維桿模型描述永磁體受力狀況，但這種模型的精度較差。文獻(xiàn)利用有限元分析對(duì)考慮溫度下的超高速永磁轉(zhuǎn)子可靠性進(jìn)行分析。文獻(xiàn)測(cè)量了高速轉(zhuǎn)子表面的徑向膨脹，計(jì)算結(jié)果與理論值有較大的偏差。由于在高轉(zhuǎn)速和接觸界面上測(cè)量應(yīng)力和應(yīng)變極為困難，甚至沒(méi)有可行性，理論預(yù)測(cè)是一種指導(dǎo)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)可行的方法。本研究推導(dǎo)了不考慮溫度影響下轉(zhuǎn)子的兩層過(guò)盈配合模型、三層過(guò)盈配合模型(極弧系數(shù)等于1)，利用有限元方法驗(yàn)證了解析公式的正確性。對(duì)一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速120kr/min，10kW的高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了強(qiáng)度分析。
永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常采用面裝式和圓柱體永磁體插入式兩種結(jié)構(gòu)，如圖所示。其中，插入式結(jié)構(gòu)采用圓柱狀衫鉆永磁體，內(nèi)部開(kāi)有光孔，平行充磁，面裝式結(jié)構(gòu)采用瓦片式錢(qián)鐵硼，平行充磁。兩種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子均為2極。保護(hù)套材料為欽合金或鎳鉻合金。從強(qiáng)度考慮，靜態(tài)裝配時(shí)，需要確定初始過(guò)盈量，并校核靜態(tài)裝配應(yīng)力，進(jìn)一步校核工作應(yīng)力。選擇圓柱坐標(biāo)系建立轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析模型。為方便推導(dǎo)，定義如下符號(hào)，如表1所示。式中待定系數(shù)Ca、由邊界條件來(lái)確定。由于永磁體和保護(hù)套的材料不同，故它們的位移方程中的待定系數(shù)也不相同。令永磁體的系數(shù)為Cma保護(hù)套的系數(shù)為Csa。若求解永磁體和保護(hù)套的位移場(chǎng)，則需確定以上4個(gè)待定系數(shù)。轉(zhuǎn)子的軸向載荷和額定轉(zhuǎn)矩很小，可忽略不計(jì)，轉(zhuǎn)子的應(yīng)力屬軸對(duì)稱平面應(yīng)力狀態(tài)，轉(zhuǎn)子存在徑向和切向的應(yīng)力。不考慮溫度效應(yīng)的情況下，微元體幾何方程為面裝式轉(zhuǎn)子屬于三層過(guò)盈配合，其應(yīng)力、應(yīng)變的求解可以借用兩層過(guò)盈配合模型的方法。對(duì)于實(shí)際的電機(jī)轉(zhuǎn)子，由于中間永磁體采用分塊結(jié)構(gòu)，沿徑向切開(kāi)，已不能用圓盤(pán)模型來(lái)描述。對(duì)于這樣的永磁體，當(dāng)受到徑向的擠壓時(shí)，它可以沿周向自由伸展。文獻(xiàn)提出用旋轉(zhuǎn)的一維桿模型描述永磁體，但沒(méi)有給出有說(shuō)服力的計(jì)算結(jié)果。文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)轉(zhuǎn)子帶極間距時(shí)(極弧系數(shù)小于1)，永磁體棱邊處會(huì)有一個(gè)附加的彎曲載荷，導(dǎo)致永磁體棱邊切進(jìn)保護(hù)套使其破壞，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子需要更加精細(xì)的理論分析或有限元計(jì)算。本研究只分析圖所示結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，圖中pi為永磁體與保護(hù)套配合面處徑向應(yīng)力，p為永磁體與軸配合面處徑向應(yīng)力。
該算例中電機(jī)轉(zhuǎn)子的主要參數(shù)如表所示。額定轉(zhuǎn)速下有限元計(jì)算結(jié)果如圖所示。解析法與有限元計(jì)算結(jié)果比較如圖所示。圖為靜態(tài)配合過(guò)盈量取15um，額定轉(zhuǎn)速下插入式轉(zhuǎn)子位移。永磁體外徑處位移大于內(nèi)徑處的位移，在徑向上被拉伸;保護(hù)套內(nèi)徑處位移大于外徑處的位移，在徑向上被壓縮。由于保護(hù)套選用欽合金，密度約為永磁體的一半，而彈性模量與永磁體的很接近，所以保護(hù)套內(nèi)層微元體所受的離心力要小于永磁體外表層微元體，使得保護(hù)套內(nèi)層微元體的位移小于永磁體外層微元體。即使過(guò)盈量為0。永磁體仍會(huì)擠壓保護(hù)套，與圖所示的結(jié)果相吻合。如圖所示，當(dāng)永磁體外表面位移為0時(shí)，己經(jīng)接近松脫，當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，徑向壓應(yīng)力可能變大甚至超過(guò)材料強(qiáng)度極限，所以松脫轉(zhuǎn)速不應(yīng)按徑向壓應(yīng)力為0時(shí)的轉(zhuǎn)速來(lái)求取。該算例中電機(jī)轉(zhuǎn)子的主要參數(shù)如表所示。永磁體和保護(hù)套是脆弱部件，額定轉(zhuǎn)速下，其應(yīng)力云圖如圖所示。解析法與有限元計(jì)算結(jié)果比較如圖所示。通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子各參數(shù)，進(jìn)行強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)能計(jì)。
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