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高速永磁電機與相同功率的傳統(tǒng)電機比較，其體積更小，電機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。為了對電機轉(zhuǎn)子有效的冷卻，可以對定轉(zhuǎn)子間加大氣隙處理。高速永磁同步電機轉(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、強度、散熱的限制，目前在一些成熟的機組中，如Mohawk的MiTi燃料電池透平壓縮機，R&D和Honeywell的燃料電池透平壓縮機，內(nèi)置的高速永磁電機轉(zhuǎn)子均采用合金熱套結(jié)構(gòu)。
對于雙層過盈配合的插入式裝配轉(zhuǎn)子，文獻列出了轉(zhuǎn)子強度分析公式，但未給出高速轉(zhuǎn)子設計準則，對于三層過盈配合面的裝入式裝配轉(zhuǎn)子(極弧系數(shù)小于1)，文獻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。文獻利用有限元分析對考慮溫度下的超高速永磁轉(zhuǎn)子可靠性進行分析。文獻測量了高速轉(zhuǎn)子表面的徑向膨脹，計算結(jié)果與理論值有較大的偏差。由于在高轉(zhuǎn)速和接觸界面上測量應力和應變極為困難，甚至沒有可行性，理論預測是一種指導高速電機轉(zhuǎn)子設計經(jīng)濟可行的方法。本研究推導了不考慮溫度影響下轉(zhuǎn)子的兩層過盈配合模型、三層過盈配合模型(極弧系數(shù)等于1)，利用有限元方法驗證了解析公式的正確性。對一臺額定轉(zhuǎn)速120kr/min，10kW的高速永磁同步電機轉(zhuǎn)子進行了強度分析。
永磁同步電機的轉(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)部開有光孔，平行充磁，面裝式結(jié)構(gòu)采用瓦片式錢鐵硼，平行充磁。兩種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子均為2極。保護套材料為欽合金或鎳鉻合金。從強度考慮，靜態(tài)裝配時，需要確定初始過盈量，并校核靜態(tài)裝配應力，進一步校核工作應力。選擇圓柱坐標系建立轉(zhuǎn)子強度分析模型。為方便推導，定義如下符號，如表1所示。式中待定系數(shù)Ca、由邊界條件來確定。由于永磁體和保護套的材料不同，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保護套的系數(shù)為Csa。若求解永磁體和保護套的位移場，則需確定以上4個待定系數(shù)。轉(zhuǎn)子的軸向載荷和額定轉(zhuǎn)矩很小，可忽略不計，轉(zhuǎn)子的應力屬軸對稱平面應力狀態(tài)，轉(zhuǎn)子存在徑向和切向的應力。不考慮溫度效應的情況下，微元體幾何方程為面裝式轉(zhuǎn)子屬于三層過盈配合，其應力、應變的求解可以借用兩層過盈配合模型的方法。對于實際的電機轉(zhuǎn)子，由于中間永磁體采用分塊結(jié)構(gòu)，沿徑向切開，已不能用圓盤模型來描述。對于這樣的永磁體，當受到徑向的擠壓時，它可以沿周向自由伸展。文獻提出用旋轉(zhuǎn)的一維桿模型描述永磁體，但沒有給出有說服力的計算結(jié)果。文獻研究表明，當轉(zhuǎn)子帶極間距時(極弧系數(shù)小于1)，永磁體棱邊處會有一個附加的彎曲載荷，導致永磁體棱邊切進保護套使其破壞，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子需要更加精細的理論分析或有限元計算。本研究只分析圖所示結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，圖中pi為永磁體與保護套配合面處徑向應力，p為永磁體與軸配合面處徑向應力。
該算例中電機轉(zhuǎn)子的主要參數(shù)如表所示。額定轉(zhuǎn)速下有限元計算結(jié)果如圖所示。解析法與有限元計算結(jié)果比較如圖所示。圖為靜態(tài)配合過盈量取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，使得保護套內(nèi)層微元體的位移小于永磁體外層微元體。即使過盈量為0。永磁體仍會擠壓保護套，與圖所示的結(jié)果相吻合。如圖所示，當永磁體外表面位移為0時，己經(jīng)接近松脫，當轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，徑向壓應力可能變大甚至超過材料強度極限，所以松脫轉(zhuǎn)速不應按徑向壓應力為0時的轉(zhuǎn)速來求取。該算例中電機轉(zhuǎn)子的主要參數(shù)如表所示。永磁體和保護套是脆弱部件，額定轉(zhuǎn)速下，其應力云圖如圖所示。解析法與有限元計算結(jié)果比較如圖所示。通過調(diào)整轉(zhuǎn)子各參數(shù)，進行強度的優(yōu)化設能計。
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