高速永磁电机转子设计与强度分析
基于ANSYS的高速表贴式永磁电机转子强度分析
基于ＡＮＳＹＳ的高速表贴式永磁电机转子强度分析张 萌，韩雪岩，杨 毅（沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，辽宁沈阳１１０８７０）摘 要：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。
关键词：高速永磁电机；转子强度；有限元分析；过盈配合中图分类号：ＴＭ３４１Ｒｏｔｏｒ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔｅｄ ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ＳｏｆｔｗａｒｅＺＨＡＮＧ Ｍｅｎｇ，ＨＡＮ Ｘｕｅｙａｎ，ＹＡＮＧ Ｙｉ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ ＲＥＰＭ Ｍａｃｈｉｎｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０８７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｒｏｔｏｒ ｓｔｒｕｃ－ｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｗｉｌｌ ｂｅａｒ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｕｒｉｎｇ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｏｐ－ｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ，ａ ｓｈｅａｔｈ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ，ａｎｄｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘｅｒｔ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒｅ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ．Ｔｈｅ ｓｈｅａｔｈ ｉｓ ｍａｄｅ ｏｆ ｎｏｎ－ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｌ－ｌｏｙ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｗｈｉｌｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｉｔ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｏｆ ａ ２４ｋＷ ａｎｄ２００００ｒ／ｍｉｎ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ａｌｌｏｙ ｓｈｅａｔｈ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｎ ｒｏｔｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｍｅａｎ－ｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｈｅａｔｈ ａｎｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ａｒｅ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ ｒｏｔｏｒ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ；ｒｏｔｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ收稿日期：２０１８－０８－０６作者简介：张萌（１９９４－），硕士研究生，研究方向为高速永磁同步电机的设计分析；韩雪岩（１９７８－），博士生导师，教授，研究方向为特种电机及其控制；杨毅（１９９２－），硕士研究生，研究方向为高速永磁电机热应力计算与机械特性的分析。
考虑轴间填充物的高速永磁电机转子强度分析
第 33 卷第 5 期
刘 威等 考虑轴间填充物的高速永磁电机转子强度分析
1025
0 引言
表 贴 式 高 速 永 磁 电 机 具 有 转 速 高 、功 率 密 度 大 等 特 点 ，其 转 子 强 度 问 题 一 直 是 制 约 其 发 展 的 重 要 问题[1-3]。首先，高速永磁电机转子的转速一般在 10 000 r/min 以上，由于巨大的离心力作用使普通电 机的转子无法满足运转的要求，需要采用高强度的 转子结构。其次，永磁电机的永磁体抗拉强度较小， 无法承受转子高速旋转带来的巨大的拉应力，必须 采取有效的保护措施[4-6]。一般的保护措施采用碳纤 维保护套和非导磁合金保护套两种材料[7-9]。采用非 导磁合金保护套时所需的永磁体和保护套的厚度较 大，且易产生高频涡流损耗，这易使永磁体因为高 温产生退磁。高强度的碳纤维保护套采用捆扎的方 法进行装配，所需保护套的厚度较小，但其散热性 差，装配实现所需求的预紧力比较困难[10,11]。
2018 年 3 月 第 33 卷第 5 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI：10.19595/ki.1000-6753.tces.161989
Vol.33间填充物的高速永磁电机 转子强度分析
Abstract Considering the analysis of rotor strength of high speed permanent magnet (PM) machine in high speed and temperature condition, this paper proposes a novel rotor model with filler between the permanent magnets and the shaft. Based on the classical theory of thick-walled cylinder, the analytical expressions of the rotor strength are deduced, and the tangential and radial stresses of each part are also deduced. Compared with the finite element stress analysis, the results are similar with it and the correctness of the analytical method is verified. The tangential stress of the permanent magnet has been one of the key factors in the damage of the high-speed permanent magnet machine. Considering the intershaft filling, the tangential stress of the permanent magnet of the machine rotor model is 6.1% less than the stress that does not take into account the inter-shaft filling model, while the stress difference in other regions is small. The rotor structure model based on the inter-shaft filling provides a new idea for analyzing the thermal strength of the rotor of the surface mounted high speed permanent magnet machine.
基于热固耦合的高速永磁电动机转子强度分析
第22卷第5期2021年5月电气技术Electrical EngineeringV ol.22 No.5May 2021基于热固耦合的高速永磁电动机转子强度分析刘壮韩雪岩高俊（沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，沈阳 110870）摘要表贴式永磁电动机在高速运行时，转子受到的冲击大、温度高，为了保证高温高速转子的运行强度，需要对转子进行考虑温度场的强度校核。
本文基于三维温度场采用热固耦合的方法对高速永磁电动机转子强度进行分析，对比冷态与工作温度下的应力分布变化，得出高速永磁电动机必须考虑温升对转子强度影响的结论。
进一步考虑过盈量、护套厚度、永磁体分段对转子热态强度的影响，得出该永磁电动机满足高速高温条件下的转子各部件尺寸，为该类高速永磁电动机的设计提供可靠依据。
关键词：高速电动机；永磁；护套；强度分析；热固耦合Strength analysis of high-speed permanent magnet motor rotor based onthermo-solid couplingLIU Zhuang HAN Xueyan GAO jun(National Engineering Research Center for REPM Machine, Shenyang University of Technology,Shenyang 110870)Abstract When the high-speed surface-mount permanent magnet motor is running at high speed, the rotor is subject to large impact and high temperature. In order to ensure the operating strength of the high-temperature high-speed rotor, it is necessary to check the strength of the rotor considering the temperature field. Based on the 3D temperature field, the thermal-solid coupling method is used to analyze the rotor strength of the high-speed permanent magnet motor, and the stress distribution changes under the cold state and operating temperature are compared. It is concluded that the high-speed permanent magnet motor must consider the influence of temperature rise on the rotor strength. At the same time, further considering the influence of interference, sleeve thickness, and segmentation on the thermal strength of the rotor, it is concluded that the permanent magnet motor meets the size of the rotor components under high-speed and high-temperature conditions, which provides a reliable basis for the design of this type of high-speed permanent magnet motor.Keywords：high-speed motor; permanent magnet; sleeve; strength analysis; thermo-solid coupling0引言高速永磁电动机具有体积小、功率密度高、效率高等优点[1-2]，在航空航天、储能飞轮、高速机床等领域被广泛应用[3-5]。
高速永磁电机设计与分析技术综述
高速永磁电机设计与分析技术综述摘要：随着科学技术的发展，高速永磁电机在工业上的应用得到了一定程度的重视。
相较于普通电机，高速永磁电机的设计虽然仍需遵循基本的电磁原理，但是由于其具有体积小和转速高等多方面的特点，所以就需要解决高转速为其带来的一系列问题。
而就目前而言，高速永磁电机的设计技术的核心是电机转子和定子的设计，而电机分析技术的核心是对电机损耗、转子强度和温升计算的分析。
基于此，本文主要对高速永磁电机设计与分析技术进行分析探讨。
关键词：高速永磁电机；设计；分析技术综述1、前言与传统电机相比，高速电机无需借助复杂的、维护困难的变速装置，可直接与高速负载或原动机相连，具有功率密度高、体积小、效率高、可靠性高、运行成本低的优点，因此在高速机床、鼓风机、压缩机、透平式膨胀机、微型燃气轮机等领域具有广阔的应用前景，得到了广泛关注。
永磁直流电机、绕线直流电机、实心转子异步电机、线绕转子同步电机、感应子电机、开关磁阻电机等均可应用于高速场合。
2、高速永磁电机设计技术综述2.1电机转子设计在高速永磁电机运行的过程中，转子会进行高速的旋转。
所以，伴随着电机的运转，因旋转产生强大的离心力需要转子具有更高的强度，而因摩擦产生的高温也容易对转子转轴和轴承的结构进行破坏。
所以，想要保证电机的稳定运行，就需要使转子在具有一定的强度的同时，具有低损耗和耐高温的特性。
而想要达成这些目的，就需要从转子的材料和结构的设计上来进行考量。
一方面，在材料设计上，现在通常使用的都是具有较高矫顽力的铁氧体或者稀土永磁材料。
而之所以选择这种材料，首先是因为材料本身具有较小的温度系数，可以在高温时维持转子的稳定的转矩特性。
其次，该种材料还能适应较高的温度下的较小的材料尺寸的变化，从而可以用于温度较高的场合而能够保持机械结构的可靠性。
再者，该种材料具有较强的抗压性和抗挠强度，可以承受因高速运转产生的较高一定的离心力。
但是值得注意的是，该种材料的抗拉强度非常低，因此需要采用一定的结构设计进行材料的保护。
探讨高速永磁电机设计与分析技术
探讨高速永磁电机设计与分析技术高速永磁电机是一种应用非常广泛的电机类型，在诸如风力发电、电动车、机床等领域中都占有重要位置。
随着科技不断发展，高速永磁电机的设计与分析技术也得到了不断升级，以下将对其进行探讨。
首先，高速永磁电机的设计需要确定其电磁参数、机械参数以及结构参数。
其中，电磁参数包括磁极数、永磁材料、定子铜线圈的匝数和电流等，机械参数则包括转子质量、惯量、转子轴径、轴承等，结构参数则涉及到电机的整体尺寸、形状等。
在确定这些参数时，需要考虑到电机的使用环境、工作条件、输出功率需求等因素，最终目的是实现电机的高效、高性能工作。
⊙电磁参数的设计对于永磁电机来说，永磁体是其核心部件之一。
永磁材料的选择和使用直接影响到电机的性能指标和使用寿命。
常见的永磁材料有NdFeB、SmCo等。
选用合适的永磁材料和合理的磁路设计可以大大提高电机的磁通密度和磁能积，从而使电机具有更高的输出功率和效率。
⊙机械参数的设计在高速永磁电机中，转子是一个非常重要的部分。
转子的惯性、重量、转子轴径等参数都会影响电机的性能。
一般情况下，为了提高电机的高速性能，需要选用轻量化的转子材料和合适的转子形状。
同时，在转子轴承的选择和设计上也需要注意，采用合适的轴承可以降低电机的轴承摩擦力，从而减少摩擦损失和热损失，提高电机的效率。
⊙结构参数的设计电机的结构参数主要涉及到整体尺寸、形状等。
在具体设计过程中，需要根据电机的工作要求和实际应用需求来确定电机的最佳尺寸和形状。
在决定电机形状时，需要考虑到散热、轴向板的选型和机壳制造工艺等因素，以确保电机在长期高速运转过程中不会过热或受到机械损坏。
设计过程中，还需要利用先进的仿真技术来进行分析和验证。
在设计与分析等过程中，应用CAD、CAE等技术可以帮助工程师更加精确的设计出符合要求的高速永磁电机。
最后，需要注意的是，高速永磁电机的设计与分析技术目前仍在不断发展中。
因此，可以利用模拟软件进行详细的仿真与模拟，以衡量电机的性能和寿命。
内置式高速永磁电机转子强度分析
工程技术DOI：10.16660/ki.1674-098X.2011-5640-6249内置式高速永磁电机转子强度分析赵亮（国能宝日希勒能源有限公司 内蒙古呼伦贝尔 021500）摘 要：内置式高速永磁电机转子在高速运行时，因受到巨大离心力的作用，极易受到损坏。
针对该问题借助有限元软件对“一”字型径向充磁内置式永磁电机转子进行了强度仿真分析。
提出了一种永磁体“一”字型分段内置式转子结构，通过计算不同加强筋数量时转子所受的最大应力，总结出加强筋数量对转子机械性能的影响规律，通过结果对比得出永磁体周向分段结构能有效减小转子所受应力的最大值，对高速内置式永磁转子设计具有一定的指导意义。
关键词：内置式永磁电机 强度分析 加强筋 有限元分析中图分类号：TM355 文献标识码：A文章编号：1674-098X(2021)05(a)-0055-04Mechanical Strength Analysis of High Speed Interior PermanentMagnet Synchronous MotorZHAO Liang(Guoneng Baorixile Energy Corporation, Hulunbeier, Inner Mongolia Autonomous Region, 021500 China)Abstract : The rotor of the interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) is easily damaged due to the huge centrifugal force during high-speed operation. In order to solve this problem, the strength analysis of the rotor of the IPMSM with radial magnetization is carried out by the f inite element analysis. In this paper, a "一" shaped segmented interior permanent magnet rotor structure is proposed. By calculating the maximum stress of the rotor with different number of stiffeners, the inf luence of the number of stiffeners on the mechanical properties of the rotor is summarized. Through the comparison of the results, it is concluded that the circumferential segmented structure of permanent magnet can effectively reduce the maximum stress on the rotor, which has a certain value for the design of high-speed built-in permanent magnet rotor guiding signif icance.Key Words : IPMSM; Strength analysis; Stiffener; Finite element analysis作者简介：赵亮（1972—），女，本科，高级工程师，研究方向为电气自动化。
高速永磁电机转子强度分析与护套设计
高速永磁电机转子强度分析与护套设计摘要：由于其功率密度大，效率高，在离心压缩机和飞轮储能等方面得到了广泛的应用。
高速电动机在工作过程中，转子零件承受着很大的离心力，为了确保永磁的安全性，通常会使用带有转子套的平板型永磁转子。
常用的转子护层材料有两种，一种是高强度的金属材料（例如钛合金， Inconel合金），另一种是高强度的复合材料（例如碳纤维，玻璃纤维，芳纶纤维），它们之间的物理特性存在着较大的区别：金属护层具有较好的导电性能，并且在护层内存在较大的涡流损失，但是它的热传导系数较高，并且转子易于散失热量。
纤维外套的导热系数非常低，在外套内没有任何的漩涡，也没有任何的损失。
在此基础上，研究了不同的包层材料对转子磁通损失和温升的影响。
关键词：高速永磁电机；转子强度；护套设计1高速永磁电机设计技术1.1电机磁悬浮技术目前，在电机中普遍使用的是机械式轴承，存在着较大的摩擦力和较高的功耗等缺点。
在此基础上，提出了一种新型的无接触式永磁电动机轴承。
采用该轴承延长了电动机的寿命，并将逐渐向高速电动机中推广。
1.2电机定子的设计定子对电机的散热起到了很大的作用，因此在设计电动机时，对其进行合理的选择是一个很关键的工作。
当前，大部分的定子都是环状绕组，它可以极大地减小电动机的轴向要求，提高转子的韧性。
在此基础上，提出了一系列的凹槽，以提供部分的散热器，使其始终保持在恒温状态。
应指出，当马达在高速运行时，有凹槽现象，会加大马达的损耗。
为了降低这个损失，一般这样的马达都要延长空气间隙来冷却热量。
在材质的选择上，为了减小铁心上的滞后损失，通常会使用0.2 mm以下的普通硅钢。
1.3电机转子的设计从永磁电机的工作原理可以看出，在电磁效应的影响下，转子将处于高速转动状态，并且两个转子之间的速度非常迅速，将会产生很大的离心力，对转子的强度有很高的要求。
而且，在高温下，电动机的转子极易受到损伤，从而对电动机的正常工作造成很大的影响。
基于有限元法的高速永磁转子强度分析
[
r2 r2 i o 1 + 2 2 r2 － r r o i
(
)]
－1
。
}
（ 2）
第6 期
张
涛等： 基于有限元法的高速永磁转子强度分析
65
式中： E 为弹性模量； r 为转子中任一点到转子轴线 r o 分别为护套内半径和外半径。 的距离； r i ， 护套较薄， 热膨胀可忽略不计。 铁心和永磁体 考虑铁心和永磁体热膨胀， 的热膨胀系数基本相同， 则由热膨胀产生的径向位移为 Δd = αΔTR a 。 式中： α 为热膨胀系数； ΔT 为温升。 由转子高速旋转引起的附加切向应力和附加接 触压强为 2 2 2 σ ω （ r） = 0. 412 5 ρ b ω max （ 0. 424 r + 2 r o ） ， p ω = r b ρ b ω2 max h b 。 （ 3）
1 100 MPa； 同 时 转 子 永 磁 体 受 到 的 剩 余 压 强 为 11. 7 MPa， 满足转子稳定运行的机械条件。 采用接触有限元法对上述设计方法进行验证， 分析结果如图 3 所示。图 3 （ a） 为最高转速时， 由离 在护套内缘表面应力最 心力引起的护套应力分布， 大， σ ω 达 到 103 MPa； 图 3 （ b ） 为 ΔD = 0. 13 mm， ΔT = 130 ℃ 时的护套应力分布， 约为 487 MPa， 有限 元分析结果与理论计算结果一致 。
中图分类号： TM 341 文献标志码： A 文章编号： 1007－ 449X（ 2012 ） 06－ 0063－ 06
Strength analysis on highspeed permanent magnet rotor using finite element method
高速永磁电机设计与分析技术综述
高速永磁电机设计与分析技术综述一、概述高速永磁电机，作为现代电机技术的杰出代表，正以其高效率、高功率密度以及优秀的控制性能，在多个领域展现出广阔的应用前景。
随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，对高速永磁电机设计与分析技术的研究显得尤为重要。
本文旨在对高速永磁电机的设计与分析技术进行综述，以期为相关领域的研究者提供全面的技术参考和启发。
高速永磁电机的设计涉及电磁设计、结构设计、热设计、强度设计等多个方面，其关键在于如何在高速运转的条件下保证电机的性能稳定、安全可靠。
电磁设计方面，需要优化绕组布局、磁路设计以及永磁体的选择，以提高电机的效率和功率因数。
结构设计则着重于提高电机的刚性和强度，防止在高速运转时产生过大的振动和噪声。
热设计则关注电机内部的热传递和散热问题，防止电机因过热而损坏。
强度设计则要求电机在承受高速运转产生的离心力时，能够保持结构的完整性。
高速永磁电机的分析技术则涵盖了电磁场分析、热分析、结构分析等多个方面。
电磁场分析可以预测电机的电磁性能，为优化设计提供依据。
热分析则用于评估电机在不同工况下的热状态，为散热设计提供参考。
结构分析则关注电机在高速运转时的动态特性，为强度设计提供支撑。
随着计算机技术和数值分析方法的快速发展，高速永磁电机的设计与分析技术也在不断进步。
通过采用先进的电磁仿真软件、热仿真软件以及结构仿真软件，可以更加精确地预测电机的性能，为设计优化提供有力支持。
1. 高速永磁电机的定义与重要性高速永磁电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor, HSPMSM）是一种特殊类型的电机，其核心特点在于使用永磁体来产生磁场，以及能够在高转速下稳定运行。
与传统的电励磁电机相比，HSPMSM具有更高的功率密度、更高的效率以及更低的维护成本，因此在许多现代工业应用领域中具有显著的优势。
HSPMSM的重要性体现在以下几个方面：随着全球能源危机的日益加剧和环境保护需求的不断提升，节能减排、提高能源利用效率已成为工业生产中的重要目标。
高速永磁电机转子设计与强度分析
高速电机采用 2 极结构。永磁材料选用耐高温 （工作温度≦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[3]。
基金项目：国家自然科学基金项目（50437010） 。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50437010).
1
引言
由电机运行原理可知，当转矩一定时，电机的 输出功率与转速成正比，也就是说，通过增加转速 可提高电机的输出功率。高速电机的应用领域越来 越为广泛，如高速磨床及其他加工机床，高速飞轮 储能系统，天然气管道中采用的离心压缩机和鼓风 机以及分析设备中的真空泵等。近来，用于分布式 供电系统的微型燃气轮机驱动高速发电机越来越受 到人们的关注。对于小型燃气轮机来说，由于不需 要驱动传统低速电机必须的减速器，不但提高了工 作效率，而且提高了可靠性[1-4]。永磁电机由于其结 构简单，力能密度高和无励磁损耗效率高等优点， 最适合用于高速电机[3-5]。 高速电动机和发电机的转速通常在 30000 r/min 以上,甚至超过 100000 r/min，定子齿和铁心中磁通 的变化频率超过 1kHz。 高速高频电机的设计与普通 低速低频的电机有很大的不同[6-9]。 转子与轴承系统 的动力学分析对高速电机的运行可靠性有着重要的 意义[10-14]。 转子设计是高速永磁电机设计的关键，主要考 虑的问题有：转子直径和长度的选取；永磁材料的 选择和采用的保护方式（永磁体不能承受高速旋转 时受到的巨大的离心力，必须采用一些高强度材料 来保护） ；转子的强度和刚度分析；轴承的设计（高 速电机不能采用普通的轴承而必须采用非接触式的 空气轴承或磁力轴承）等。本文着重论述转子强度 和永磁体的保护问题。
高速永磁同步电机的转子结构强度分析研究
高速永磁同步电机的转子结构强度分析研究李振平;占彦【摘要】针对高速永磁同步电机转子结构设计及强度问题,对转子结构形式和永磁体材料的选择、轴径尺寸的确定、护套与永磁体之间的过盈配合、转子强度分析方法等方面进行了研究.开展了护套与永磁体之间过盈量的理论分析,使用解析法建立了转子动态过盈量的计算公式,提出了高速永磁同步电机转子的结构强度校核方法.在理论分析的基础上,利用ANSYS-workbench有限元软件对一台最高转速为7 2000 r/min的10 kW高速永磁同步电机的转子进行了热-结构耦合强度分析计算.研究结果表明,永磁体与护套之间的动态过盈量决定了转子的强度,该电机转子的过盈量最佳值为0.03 mm～0.05 mm,该转子设计合理可靠,可以满足设计要求;该有限元仿真方法能够方便地实现内嵌式转子的结构强度分析,为转子的结构优化设计提供一定的依据.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2016(033)007【总页数】4页(P900-903)【关键词】高速永磁电机;转子;护套;结构强度;过盈量;热-结构耦合分析【作者】李振平;占彦【作者单位】北京动力机械研究所,北京100074;蒂森克虏伯采矿物料搬运技术(中国)有限公司,北京100020【正文语种】中文【中图分类】TM351;TH39;TH123+.3高速永磁同步电机具有体积小、转矩密度高、低速大转矩输出、转子发热小等优势，尤其是较高的动态响应速度，很容易实现较高的稳速精度和快速正反转切换，具有广泛的应用前景，如高速机床、飞轮储能、电主轴、天然气管道中采用的离心压缩机和鼓风机以及分析设备中的真空泵等[1-4]。
转子是高速永磁电机的核心部件，转子的永磁体通常选用烧结钕铁硼或钐钴永磁材料，该类型材料能够承受很大的压应力而不能承受较大的拉应力，需要采取护套保护，永磁体和护套之间采用过盈配合，从而给永磁体施加预先压应力，补偿高速旋转时离心力产生的拉应力[5-6]。
高速电机转子冲片的强度设计 -回复
高速电机转子冲片的强度设计-回复高速电机转子冲片的强度设计一直是电机工程师们关注的焦点之一。
转子冲片是电机转子上的一个重要部件，它负责传递电机所产生的力量，并使转子能够旋转。
因此，转子冲片的强度设计对于电机的性能和寿命有着直接的影响。
下面将逐步介绍高速电机转子冲片的强度设计。
首先，需要确定转子冲片所需的强度参数。
转子冲片的强度设计主要包括材料的选用和尺寸的确定。
在选用材料时，需要考虑其机械性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等因素。
常见的转子冲片材料有铁、铜、铝等金属材料。
不同材料具有不同的特性，因此需要根据具体的工作条件和要求来选择适合的材料。
其次，确定转子冲片的尺寸。
尺寸的确定主要涉及到转子冲片的厚度、直径和长度等参数。
转子冲片的尺寸需要满足力学强度和动力平衡的要求。
在力学强度方面，转子冲片需要能够承受来自电机转子的力矩和离心力等。
而在动力平衡方面，转子冲片的几何形状和质量分布需要满足动平衡的要求，以保证电机的稳定运行。
然后，进行转子冲片的受力分析。
转子冲片在运行过程中会受到多种力的作用，如离心力、惯性力、压力等。
通过对这些力的分析，可以确定转子冲片的最大受力情况，从而确定转子冲片的强度参数。
受力分析需要考虑力的大小、方向和作用点等因素，以确保转子冲片在任何工况下都能够正常工作。
接下来，进行转子冲片的强度计算。
转子冲片的强度计算主要包括静态强度和疲劳强度两方面。
静态强度计算主要是根据转子冲片的几何形状和受力情况，采用强度理论或有限元分析等方法进行计算。
而疲劳强度计算则是考虑到电机的长期运行过程中，转子冲片会受到反复加载和释放力的作用，从而产生疲劳破坏。
因此，需要对转子冲片的材料进行疲劳试验，得到其疲劳强度参数，并在设计中加以考虑。
最后，进行转子冲片的强度验证。
在设计完成后，需要对转子冲片进行实际的强度验证。
可以通过实验室的试验或模拟仿真等手段来验证转子冲片的强度是否满足设计要求。
强度验证既包括静态强度的验证，也包括疲劳强度的验证。
高速永磁同步电机转子拓扑结构设计及强度优化仿真计算
高速永磁同步电机转子拓扑结构设计及强度优化仿真计算黄绍枝心，于冰1'2，董江东1'2，唐小春1'2(1中车株洲电机有限公司，湖南株洲412000；2湖南省新能源汽车电机工程技术研究中心，湖南株洲412000)摘要一款电机设计需求，通过2D有真分析对比了不同转子构下的电机性能，择优选取了一种“U+1#形构，即“U#型和“1#型磁组合构，结果表明该构具备“U#型磁磁和“B+1#磁加效应，能有效提高磁阻转矩和永磁转矩，具有低转矩脉动、高弱磁扩速能力及低成本等优势。
最后通过3D有真对冲片结构优化并进行强度仿真计算，使度可满足高速彳七19000r/min的机械强度要求$关键词高速永磁同步电机；拓扑结构%有真DOI：10.3969/J.ISSN.1008-7281.2020.03.09中图分类号:TM315文献标识码:A文章编号：1008-7281(2020)03-0028-04 Rotor Topology Structure Design and Strength OptimizationSimulation Calculation of High-Speed PMSMHua$g Shaozhi,Yu Bi$g,Do$g Jia$gdo$g,a$d Ta$g Xiaochu$(1.CRRC Zhuzhou EI x CU c Machine Co.,Ltd.,Zhuzhou412000,China;2.Hunan Engi-nee/ng R—h Centee of New Ener/y Vehicle Motoe,Zhuzhou412000,China) Abstract Based on the design requiremento of a kind of motoe,the performances of it undea va/ous rotor topology structures are analyzed and compared by2D finite-element simulation,and a“U+1#type of topology structure i selectively selected,which combines with “U#type and“1”type of magnetic sted slot topology structure.The resulto show that the structure has the effects of“U#type of magnetic steel focusing and“U+1#type of magnetic eesostantesupeeposotoon,whoth tan eettoaeeyompeoaethemaynetoteesostantetoequeand pee-manent-maynettoeque,and hastheadaantayesoFeowtoequeeoppee,hoyh weak maynetotexpan-soon tapatotyand eowtost.In theend oFthospapee,3D onote-eeementsomueatoon sotwaeeos used tooptomozethepunthonysteuttueeand taetueatoon ots st een yth.It tan makethepunthony strength meet the mechanicxl strength requirementr of19000/min.Key words High-speed PMSM；topology structure；finite-element sirnulation0引言随着中国传统工业的发展以环境和能源等的制约，的生态模式正在发生2刻转变，低和可再生成为工业发展的必uv,新能源作为中国-性新兴产一,受国家的支持和引导，近年来中国新能源产业得到了快速发展，跃居成为新能源产销大国[3]$驱动电机是新能源汽车的三大核心部件之一,它的好坏决定了电性能的优劣。
高速内置式永磁转子强度分析与设计
高速内置式永磁转子强度分析与设计张超;朱建国;佟文明;韩雪岩【摘要】In order to solve the problem of high speed centrifugal force , the rotor strength is analyzed for the design of interior permanent magnet rotor .Based on the principle of rotor centrifugal force , the ana-lytical formula of rotor strength was deduced .The correctness of analytical calculation was verified by fi-nite element method .In order to improve the mechanical reliability of the rotor , the rotor segment struc-ture was adopted .The extra magnetic rib can disperse the centrifugal force of rotor .Also, the effect of rib number and size on the strength and leakage performance was analyzed by finite element method .The de-sign rules of the segmented rotor were summarized .Based on the analysis of rotor strength and electro-magnetic, a high speed interior permanent magnet rotor with rated power of 15 kW and maximum speed of 30000 r/min was designed and tested .It provides references for the design of high speed interior perma-nent magnet rotor .%针对高速内置式永磁转子表面线速度高,高速离心力易损坏隔磁桥的问题,对高速内置式永磁转子进行强度分析与设计.基于转子受力原理,推导高速内置式永磁转子强度解析计算公式,并采用有限元法验证了解析计算的正确性.为了提高高速内置式永磁转子的机械可靠性,提出采用永磁体分段的转子结构,即在转子结构中增加加强筋以分散隔磁桥所受的离心力,针对分段转子结构复杂的特点,采用有限元法分析了加强筋个数、加强筋尺寸对转子强度与漏磁特性的影响,总结了分段结构转子的设计规律.在对高速内置式永磁转子强度与电磁特性分析的基础上,设计一台额定功率15 kW、最高转速30000 r/min的高速电机内置式永磁转子并进行了空载试验,为高速内置式永磁转子的设计提供了参考.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2017(021)012【总页数】8页(P43-50)【关键词】高速;内置式永磁转子;强度分析;漏磁系数【作者】张超;朱建国;佟文明;韩雪岩【作者单位】沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心,辽宁沈阳110870;悉尼理工大学,澳大利亚悉尼2007;沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心,辽宁沈阳110870;沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心,辽宁沈阳110870【正文语种】中文【中图分类】TM336内置式永磁同步电机凸极率高、调速范围宽，高速运行时不需要保护套，功率密度高于表贴式永磁同步电机[1-3]。
高速永磁电机转子强度分析
２０２１年３月第４９卷第６期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＭａｒ ２０２１Ｖｏｌ ４９Ｎｏ ６ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２１ ０６ ０２９本文引用格式：朱炎，胡小飞，宋满存，等．高速永磁电机转子强度分析［Ｊ］．机床与液压，２０２１，４９（６）：１４２－１４６．ＺＨＵＹａｎ，ＨＵＸｉａｏｆｅｉ，ＳＯＮＧＭａｎｃｕｎ，ｅｔａｌ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒｒｏｔｏｒ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２１，４９（６）：１４２－１４６．收稿日期：２０１９－１２－０７作者简介：朱炎（１９９３ ），男，硕士，工程师，主要研究方向为电机㊁电磁制动器㊁电磁阀等㊂Ｅ－ｍａｉｌ：４４４２３８１１２＠ｑｑ ｃｏｍ㊂高速永磁电机转子强度分析朱炎，胡小飞，宋满存，梁赞，王志峰（北京精密机电控制设备研究所，北京１０００７６）摘要：磁钢相对脆弱，保证磁钢结构强度在安全范围内是高速电机设计的一个要点㊂依靠护套和磁钢过盈配合产生的压力能确保高速电机磁钢不碎裂㊂为确保电机安全运行，必须根据转子转速㊁外径等参数对护套厚度和过盈量进行计算和校核㊂对３种常见磁钢结构进行比较，选择使用实心圆柱结构；通过计算和分析得出如何选择护套的材料㊁厚度㊁过盈量；考虑离心力㊁过盈配合，分析并设计某７００００ｒ／ｍｉｎ永磁同步电机的转子㊂研究结果为设计高速永磁电机的磁钢和护套提供参考㊂关键词：高速永磁电机；磁钢强度；过盈量；护套中图分类号：ＴＭ３５５ＳｔｒｅｎｇｔｈＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＨｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＭｏｔｏｒＲｏｔｏｒＺＨＵＹａｎ，ＨＵＸｉａｏｆｅｉ，ＳＯＮＧＭａｎｃｕｎ，ＬＩＡＮＧＺａｎ，ＷＡＮＧＺｈｉｆｅｎｇ（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｇｎｅｔｉｃｓｔｅｅｌｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｆｒａｇｉｌｅ，ｓｏｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｓｔｅｅｌｉｎａｓａｆｅｒａｎｇｅｉｓａｋｅｙｐｏｉｎｔｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｆｉｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｌｅｅｖｅａｎｄｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｓｔｅｅｌｃａｎｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒｍａｇｎｅｔｉｃｓｔｅｅｌ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒ，ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｈｅａｔｈａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｍｕｓｔｂｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｃｈｅｃｋｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｏｔｏｒｓｐｅｅｄ，ｏｕｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｃｏｍｍｏｎｍａｇｎｅｔｉｃｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄｔｈｅｓｏｌｉｄｃｙｌｉｎｄｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｃｈｏｓｅｎ；ｔｈｒｏｕｇｈｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏｃｈｏｏｓｅｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｌｅｅｖｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆｏｒｃｅａｎｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｆｉｔ，ｔｈｅｒｏｔｏｒｏｆａ７００００ｒ／ｍｉｎｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｓｔｅｅｌａｎｄｓｌｅｅｖｅｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒ；Ｍａｇｎｅｔｉｃｓｔｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈ；Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；Ｓｌｅｅｖｅ０㊀前言高速永磁电机具有体积小㊁功率密度大的优点，有广泛的应用前景［１－２］㊂转子是高速永磁电机的核心，转子上的磁钢是整个转子结构最脆弱的部分，因此磁钢强度需要经过仔细计算和校核㊂磁钢属于脆性材料，抗压强度高且抗拉强度低㊂在电机高速旋转时，磁钢可能会因受自身离心力导致的拉应力作用而碎裂，因此通常在磁钢外加一个护套，磁钢和护套过盈配合使护套在旋转时始终对磁钢产生一定的压力，护套对磁钢的压力能够减小磁钢受到的拉应力，从而确保磁钢结构强度在安全范围内［３］㊂目前护套主要有３种材料：高温合金㊁钛合金和碳纤维，碳纤维绑扎永磁体工艺复杂㊁成本高且碳纤维导热能力差，因此对高转速小直径的永磁转子多使用合金热套的安装工艺［２］㊂钕铁硼和钐钴是电机常用到的永磁材料，钐钴相对钕铁硼的耐高温特性更好，因此在大功率的高速永磁电机中衫钴磁钢应用更广泛［１］㊂文献［３－５］中使用数学模型计算磁钢径向各处的应力，计算方式较为复杂㊂对于磁钢，最受关注的是最大拉应力，只要得知拉应力的最大值即可判断磁钢是否安全，因此可以对模型进行简化㊂文献［６］中指出离心力产生的应力与转速和直径的平方均成正比，但是计算应力时使用了离心力除以受力面积，实际上离心力的受力面积不易确定㊂文献［３－７］中没考虑磁钢碎裂时护套是否会损坏，磁钢是脆性物体，容易产生裂纹，转子高速旋转时一旦破碎造成的危害很大，因此护套应具有更高的安全性，以使得无论磁钢是否碎裂，护套都能一直保持安全㊂文献［８－１５］中介绍的高速电机均使用护套来保护磁钢，可见护套和磁钢过盈配合来保证磁钢安全是一种普遍应用的方法㊂本文作者针对高速永磁电机高速旋转时的磁钢强度，提出磁钢拉应力解析计算模型㊂采用ＡＮＳＹＳ有限元软件建立二维㊁三维有限元模型，并将有限元分析结果与解析模型的分析结果进行比较㊂最后分析了磁钢护套材料㊁厚度㊁过盈量对磁钢强度的影响，并对某７００００ｒ／ｍｉｎ高速永磁同步电机磁钢㊁护套的强度进行了分析及优化，为高速永磁电机磁钢和护套的设计提供参考㊂１㊀磁钢结构和参数常见的磁钢有３种结构：圆柱型㊁环柱型和表贴型，如图１所示㊂图１㊀３种磁钢结构在不考虑护套对磁钢压力，只考虑磁钢承受离心力时，圆柱型磁钢结构最可靠，环柱型磁钢中间的孔径越大越脆弱，而表贴型磁钢如果没有护套保护根本无法承受高速旋转㊂这是因为表贴型磁钢相对于环柱型磁钢而言缺少了磁钢和磁钢之间的切向拉力，高转速情况下表贴型磁钢对护套的依赖程度最高㊂因此无护套时，本文作者只对圆柱型磁钢结构和环柱型磁钢结构的强度进行分析㊂转子最终结构参数和性能参数如表１所示㊂磁钢为耐高温钐钴磁钢（Ｓｍ２Ｃｏ１７），采用平行充磁方式；护套选用钛合金或高温合金，文中分别为ＴＣ４㊁ＧＨ１４１，其材料属性如表２所示㊂表１㊀转子结构和性能参数参数名称参数值参数名称参数值磁钢外径／ｍｍ３７过盈量／ｍｍ０．０６磁钢长度／ｍｍ８０最高转速／（ｒ㊃ｍｉｎ－１）７００００护套外径／ｍｍ４１护套厚度／ｍｍ２表２㊀材料属性属性材料Ｓｍ２Ｃｏ１７ＴＣ４ＧＨ１４１弹性模量／ＧＰａ１２０１１２２１０密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）８４００４４４０８２７０泊松比０．３０．３４０．３１抗拉强度／ＭＰａ３６８９５１１７５强度／ＭＰａ８００（抗压强度）８２６（屈服强度）８８０（屈服强度）㊀㊀钐钴磁钢属于脆性材料，计算安全系数时适用于第一强度理论，即受到的拉应力大于抗拉强度会导致材料损坏，因此分析磁钢强度最重要的是计算磁钢受到的最大拉应力㊂利用有限元软件ＡＮＳＹＳ分析无护套时，磁钢因旋转产生的拉应力㊂磁钢有限元模型分析结果如图２所示，可知：圆柱型磁钢的最大拉应力位置在圆心处，环柱型磁钢最大拉应力位置在接近圆心的内表面㊂磁钢的中心始终是最脆弱的，而且假如把圆柱体中心去掉，让磁钢从圆柱体变为环柱体，磁钢内径处承受的最大拉应力会变得更大㊂图２㊀无护套时磁钢切向拉应力圆柱型和环柱型磁钢受到的最大拉应力为磁钢中心或内径处的切向拉应力，因此必须保证磁钢中心或内径位置处的最大切向拉应力小于磁钢抗拉强度，才能使磁钢满足高速离心力作用下的强度要求㊂因此，采取有效方法对磁钢的最大拉应力进行分析计算是有必要的㊂２㊀最大拉应力的解析法和有限元计算２ １㊀无护套时磁钢的最大拉应力薄壁筒离心应力计算公式［３］：σｒθ（ｒ）＝３－２μ８（１－μ）ρω２ｒ２ｏ＋ｒ２ｉ＋ｒ２ｏｒ２ｉｒ２－１＋２μ３－２μｒ２æèçöø÷（１）σｒｒ（ｒ）＝３－２μ８（１－μ）ρω２ｒ２ｏ＋ｒ２ｉ－ｒ２ｏｒ２ｉｒ２－ｒ２æèçöø÷（２）式（１）㊁式（２）中：σｒθ为切向拉应力；σｒｒ为径向拉应力；ρ为密度；ｒｏ为外半径；ｒｉ为内半径；ｒ为半径（ｒｉɤｒɤｒｏ）；ω为角速度；μ为泊松比㊂在轴心处切向拉应力σｒθ（ｒ）等于径向拉应力σｒｒ（ｒ），其余位置切向拉应力σｒθ（ｒ）大于径向拉应力σｒｒ（ｒ）㊂因此，本文作者取切向拉应力的最大值为最大拉应力㊂将薄壁筒离心应力计算公式简化，实心圆柱磁钢的最大拉应力计算公式为σｍ＝３－２μ８（１－μ）ρω２ｒ２ｏ（３）式中：σｍ为最大拉应力，其余参数与式（１）参数一致㊂环柱型磁钢内径处切向拉应力为其最大拉应力，由式（１）简化得到环柱型磁钢最大拉应力计算公式为σｍ＝３－２μ４（１－μ）ρω２ｒ２ｏ＋１３－２μｒ２ｉæèçöø÷（４）㊃３４１㊃第６期朱炎等：高速永磁电机转子强度分析㊀㊀㊀对比式（３）㊁式（４）的前置系数３－２μ８（１－μ）㊁３－２μ４（１－μ）可知：无护套前提下，一旦磁钢由圆柱体变为环柱体，最大拉应力至少会增加一倍㊂实际上，磁钢轴向上位置变化时拉应力也会变化，尤其是圆柱两端㊂因此，分别使用解析法㊁三维有限元㊁二维有限元计算磁钢最大拉应力㊂ＡＮＳＹＳ三维有限元仿真时考虑磁钢模型长度，ＡＮＳＹＳ二维有限元仿真时忽略磁钢模型长度㊂根据表１㊁表２中的磁钢参数进行建模分析㊂圆柱型磁钢计算结果如图３所示，可知：３种方法得到的结果都很接近，且解析法结果介于二维和三维有限元之间，证明了解析法的正确性㊂由图３可知：当转速达到５００００ｒ／ｍｉｎ时，磁钢承受的最大拉应力已经接近磁钢的抗拉强度３６ＭＰａ，假如转子转速达到７００００ｒ／ｍｉｎ，则必须在磁钢外添加护套进行保护㊂在最高转速７００００ｒ／ｍｉｎ时，分析环柱型不同内径条件下的应力情况，结果如图４所示㊂图３㊀无护套时圆柱磁㊀㊀图４㊀无护套时环柱磁钢最大拉应力钢最大拉应力由图４可知：三维有限元仿真结果和二维有限元仿真结果接近，而解析法在内径较小时和另外两者接近，内径接近外径时会比另外两者大；内径为３０ｍｍ时，解析法和另外两者的偏差约为１４ ３％㊂随着环柱型磁钢内径的增加，环柱型磁钢所受的最大拉应力也增加㊂通过对圆柱型和环柱型磁钢的分析可知：在无护套保护㊁外径不变时，磁钢由圆柱体变为环柱体后最大拉应力至少增加了一倍，说明圆柱型磁钢结构强度优于环柱型磁钢结构强度，因此，文中采用圆柱型磁钢结构㊂２ ２㊀有护套时磁钢的最大拉应力永磁体与护套之间采用过盈配合，利用护套和永磁体之间的静态预压力抵消离心力产生的拉应力和高温热变形，使永磁体高速旋转时仍受一定的压应力，从而保证永磁体的安全㊂护套与永磁体之间的过盈量决定护套与永磁体之间的压力，所以接触压力与过盈量之间的关系［３］如下：ｐ＝δｒｅｉＥｅｒ２ｅｏ＋ｒ２ｅｉｒ２ｅｏ－ｒ２ｅｉ＋μｅæèçöø÷＋ｒｍｏＥｍｒ２ｍｏ＋ｒ２ｍｉｒ２ｍｏ－ｒ２ｍｉ－μｍæèçöø÷（５）式中：ｐ为护套与永磁体的接触压力；δ为过盈量；Ｅｅ为护套的弹性模量；μｅ为护套的泊松比；ｒｅｉ为护套内半径；ｒｅｏ为护套外半径；Ｅｍ为永磁体的弹性模量；μｍ为永磁体的泊松比；ｒｍｉ为永磁体内半径；ｒｍｏ为永磁体外半径㊂护套和磁钢的离心力会导致旋转时的动态过盈量相对于装配时的静态过盈量有一定的变化，旋转时的过盈量［４］：ｕｄ，ｅｉ＝Ａｅｒｅｉ＋Ｂｅｒｅｉ－ρｅ１－μ２ｅ()ω２ｒ３ｅｉ８ＥｅＡｅ＝３＋μｅ()１－μｅ()ｒ２ｅｉ＋ｒ２ｅｏ()ρｅω２８ＥｅＢｅ＝３＋μｅ()１＋μｅ()ｒ２ｅｉｒ２ｅｏρｅω２８Ｅｅｕｄ，ｍｏ＝Ａｍｒｍｏ＋Ｂｍｒｍｏ－ρｍ１－μ２ｍ()ω２ｒ３ｍｏ８ＥｍＡｍ＝３＋μｍ()１－μｍ()ｒ２ｍｉ＋ｒ２ｍｏ()ρｍω２８ＥｍＢｍ＝３＋μｍ()１＋μｍ()ｒ２ｍｉｒ２ｍｏρｍω２８Ｅｍδ＝（ｒｍｏ－ｒｅｉ）－（ｕｄ，ｅｉ－ｕｄ，ｍｏ）ìîíïïïïïïïïïïïïïïïïïï（６）式中：δ为旋转时的动态过盈量；ρｅ为护套密度；ρｍ为永磁体密度；ω为角速度，其余参数与式（５）一致㊂有护套时磁钢切向拉应力［４］：σｄθｍ（ｒ）＝σｒθ（ｒ）－ｐˑｒ２ｍｏｒ２ｍｏ－ｒ２ｍｉ１＋ｒ２ｍｉｒ２æèçöø÷（７）式中：σｄθｍ（ｒ）为有护套时磁钢切向拉应力径向分布，其余参数与式（１）㊁式（５）一致㊂由式（７）简化得圆柱型磁钢最大拉应力为σｄｍａｘ＝σｍ－ｐ（８）式中：σｍ为无护套时磁钢最大拉应力；ｐ为护套对磁钢压力；σｄｍａｘ为有护套时磁钢最大拉应力㊂图５㊀不同转速下护套对磁钢的压力按照表１和表２的参数，使用解析法和有限元方法计算不同转速下护套对磁钢的压力，结果如图５所示㊂可知：解析法和有限元方法结果比较接近，且随着转速上升，护套压力会缓慢减小，图５中ＧＨ１４１护套在最大转速下相对静态下护套㊃４４１㊃机床与液压第４９卷的压力下降了约１９％，动态过盈量计算量相对较大而影响较小，在初步设计时可以忽略这一部分而直接使用静态过盈量以减少计算量，在最后模型确定时再精确计算㊂３㊀护套对磁钢强度的影响在有护套时，尽管可以依靠护套对磁钢的压力保证环柱型磁钢和表贴型磁钢结构的安全，但是在电机功率不变条件下，需要的磁场强度不变，磁钢由圆柱型变为环柱型或表贴型必然导致转子外径增大，则进一步增大了离心力，对于转速高的电机而言，圆柱型磁钢是最优的结构㊂因此，本文作者主要分析护套的材料㊁厚度㊁过盈量对圆柱型磁钢强度的影响㊂３ １㊀护套材料目前，护套材料主要有３种：高温合金㊁钛合金和碳纤维㊂碳纤维护套的缺点是绑扎永磁体工艺复杂㊁过盈量难以控制㊁成本高且碳纤维导热能力差，优点是密度小㊁质量轻㊁热膨胀系数小㊁涡流损耗小；合金护套的缺点是密度和质量较大㊁自身离心力相对碳纤维而言更大㊁涡流损耗相对较大，优点是过盈量易控制㊁安装方便㊂转速高㊁直径小的永磁转子多使用合金护套，而大直径㊁线速度高的永磁转子多用碳纤维护套［２］，文中分析的转子直径较小㊁转速高，更适合使用合金护套㊂利用热胀冷缩原理，把金属护套加热到一定温度再装到磁钢上即可㊂考虑到加热温度较高可能导致磁钢因护套温度高而退磁，可选择在护套安装完成后再给磁钢充磁㊂护套的材料一般选择高温合金或钛合金㊂高温合金的优势：（１）弹性模量大，即同样尺寸同样过盈量下产生的压力更大；（２）热膨胀系数大，同样过盈量时热装温度可以更低㊂钛合金的优势：（１）密度更低，护套自身离心力小；（２）热膨胀系数小，转子受热后护套对磁钢的压力会增大，而不是呈现分离的趋势㊂分别使用有限元和解析法计算旋转时护套对磁钢的压力，结果如图６所示㊂图６㊀同等过盈量下护套对磁钢的压力由图６可知：ＧＨ１４１护套在同等过盈量下对磁钢的压力接近ＴＣ４护套的２倍，这与表１中材料的弹性模量比值接近；护套需要减去自身的离心力之后才能给磁钢压力，护套越厚离心力越大，但结合图５可知此模型尺寸附近护套自身离心力相对于过盈配合产生的应力较小㊂３ ２㊀护套过盈量护套过盈量一方面由磁钢需要的压力决定，另一方面也由热装温度决定㊂计算过盈量应先考虑热装温度，如果过盈量太大㊁热装温度过高，则在工艺上就难以实现，而且过盈量约等于护套径向形变量，过盈量太大会直接导致护套损坏㊂由式（５）知静态下过盈量与护套压力成正比，由图５和图６可知此模型护套自身离心力较小，因此该模型尺寸范围附近，转子旋转时护套的压力与护套厚度㊁过盈量近似成正比，在转速更高㊁直径更大时偏差会增大㊂按照ＧＨ１４１的热膨胀系数，在直径３７ｍｍ㊁温升３００ħ情况下计算出直径增大０ １３６ｍｍ㊂因此，选取护套对磁钢的单边过盈量为０ ０６ｍｍ㊂３ ３㊀护套厚度在过盈量不变的情况下可以通过提高护套的厚度来增加护套对磁钢的压力㊂但是增大护套厚度势必会增大电机的电磁气隙，降低电机的磁通密度㊂因此，必须合理设计护套的厚度㊂由表２知磁钢抗拉强度为３６ＭＰａ，安全系数取图７㊀不同护套厚度下磁钢最大拉应力１ ２，那么磁钢的许用应力为３０ＭＰａ㊂不同护套厚度下磁钢最大拉应力如图７所示，可知：在２ｍｍ厚ＧＨ１４１护套下磁钢的最大拉应力为２０ＭＰａ，小于磁钢许用应力；在３ｍｍ厚ＴＣ４护套下磁钢最大拉应力大于３０ＭＰａ，大于磁钢许用应力㊂因此，选择ＧＨ１４１作为护套材料，且厚度为２ｍｍ㊂４㊀有限元仿真结果有限元仿真模型如图８所示㊂利用ＡＮＳＹＳ进行有限元分析，在常温时，磁钢属于脆性材料，适用第一强度理论，因此磁钢的切向应力如图９所示；而护套属于韧性材料，适用于第四强度理论，因此护套的等效应力如图１０所示㊂为安全起见，还需要考虑最坏情况，即磁钢碎裂时护套是否会损坏，在之前的模型基础上，沿旋转轴像切蛋糕一样把磁钢切成８块，再次计算护套受力，此时护套的等效应力如图１１所示㊂图８㊀有限元仿真模型㊃５４１㊃第６期朱炎等：高速永磁电机转子强度分析㊀㊀㊀图９㊀磁钢切向应力图１０㊀护套等效应力图１１㊀磁钢切开时护套等效应力由图９可知：磁钢最大拉应力约为２０ＭＰａ，且出现在左右两端，磁钢和两端的接触设置会略微影响此值，而解析法没考虑这里的接触，因此与有限元结果有差异㊂磁钢的抗拉强度为３６ＭＰａ，因此安全系数为１ ８，磁钢在正常工况下不会损坏㊂图１１中护套等效应力最大为７０４ ７ＭＰａ，护套的抗拉强度为１１７５ＭＰａ，因此安全系数为１ ６７，说明即使磁钢碎裂，护套也不会损坏，转子的安全性有足够的保障㊂５㊀结束语本文作者通过理论计算和ＡＮＳＹＳ仿真，对高转速下的磁钢㊁护套强度进行了分析，对常见的磁钢结构和护套材料进行了比较㊂结果表明：（１）无护套且外径不变时，旋转体由圆柱体变为环柱体时，其最大拉应力至少会增加一倍，因此直径较大且转速高时旋转物体应选择实心的㊂（２）从转子结构强度方面考虑，转速高的电机最好选用圆柱型磁钢，另外２种磁钢结构对护套的强度以及过盈量的要求更高㊂（３）在该模型的尺寸和转速附近，护套自身离心力较小，护套对磁钢的压力与护套厚度㊁弹性模量㊁过盈量都近似成正比，在设计初期可以使用这个方法进行简单估算，可减少计算量和计算时间㊂（４）介绍了一种高转速㊁小直径的转子设计过程，为高速永磁电机转子的设计提供了参考，但是所使用的方法和技巧可能不适用于直径大㊁转速低的电机㊂参考文献：［１］ＧＥＲＡＤＡＤ，ＭＥＢＡＲＫＩＡ，ＢＲＯＷＮＮＬ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｍａｃｈｉｎｅｓ：ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｔｒｅｎｄｓ，ａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１４，６１（６）：２９４６－２９５９．［２］张凤阁，杜光辉，王天煜，等．高速电机发展与设计综述［Ｊ］．电工技术学报，２０１６，３１（７）：１－１８．ＺＨＡＮＧＦＧ，ＤＵＧＨ，ＷＡＮＧＴＹ，ｅｔａｌ．Ｒｅｖｉｅｗｏｎｄｅｖｅｌ⁃ｏｐｍｅｎｔａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１６，３１（７）：１－１８．［３］钟志贤，廖家蒙．永磁电机转子中永磁体与护套的过盈量分析［Ｊ］．装备制造技术，２０１６（５）：５－７．ＺＨＯＮＧＺＸ，ＬＩＡＯＪＭ．Ｓｔｕｄｙｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎａｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｅｌｅｃ⁃ｔｒｏｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６（５）：５－７．［４］王继强，王凤翔，鲍文博，等．高速永磁电机转子设计与强度分析［Ｊ］．中国电机工程学报，２００５，２５（１５）：１４０－１４５．ＷＡＮＧＪＱ，ＷＡＮＧＦＸ，ＢＡＯＷＢ，ｅｔａｌ．Ｒｏｔｏｒｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２００５，２５（１５）：１４０－１４５．［５］张超，朱建国，韩雪岩．高速表贴式永磁电机转子强度分析［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１６，３６（１７）：４７１９－４７２７．ＺＨＡＮＧＣ，ＺＨＵＪＧ，ＨＡＮＸＹ．Ｒｏｔｏｒｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｓｕｒｆａｃｅｍｏｕｎｔｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｒｏｔｏｒｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１６，３６（１７）：４７１９－４７２７．［６］李振平，占彦．高速永磁同步电机的转子结构强度分析研究［Ｊ］．机电工程，２０１６，３３（７）：９００－９０３．ＬＩＺＰ，ＺＨＡＮＹ．Ｒｏｔｏｒｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｐｅｒ⁃ｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃ⁃ｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，３３（７）：９００－９０３．［７］吴震宇，曲荣海，李健，等．表贴式高速永磁电机多场耦合转子设计［Ｊ］．电机与控制学报，２０１６，２０（２）：９８－１０３．ＷＵＺＹ，ＱＵＲＨ，ＬＩＪ，ｅｔａｌ．Ｍｕｌｔｉ⁃ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｒｏｔｏｒｄｅ⁃ｓｉｇｎｆｏｒｓｕｒｆａｃｅ⁃ｍｏｕｎｔｅｄｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍａ⁃ｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１６，２０（２）：９８－１０３．［８］ＢＩＡＮＣＨＩＮ，ＢＯＬＯＧＮＡＮＩＳ，ＬＵＩＳＥＦ．Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓａｎｄｌｉｍ⁃ｉｔｓｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＰＭｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎ⁃ｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００４，４０（６）：１５７０－１５７８．［９］ＫＯＬＯＮＤＺＯＶＳＫＩＺ，ＡＲＫＫＩＯＡ，ＬＡＲＪＯＬＡＪ，ｅｔａｌ．Ｐｏｗｅｒｌｉｍｉｔｓｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔ⁃ｍａｇｎｅｔｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｍａｃｈｉｎｅｓｆｏｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｎｅｒ⁃ｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２０１１，２６（１）：７３－８２．［１０］ＢＯＲＩＳＡＶＬＪＥＶＩＣＡ，ＰＯＬＩＮＤＥＲＨ，ＦＥＲＲＥＩＲＡＪＡ．Ｏｎｔｈｅｓｐｅｅｄｌｉｍｉｔｓｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔ⁃ｍａｇｎｅｔｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，５７（１）：２２０－２２７．［１１］ＤＯＮＧＪＮ，ＨＵＡＮＧＹＫ，ＪＩＮＬ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍａｌｏｐｔｉｍｉｚａ⁃ｔｉｏｎｏｆａｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ，２０１４，５０（２）：７４９－７５２．（下转第７０页）展望［Ｊ］．科技创新导报，２０１７，１４（１０）：１６２．［３］赵倩．国内外装配式建筑技术体系发展综述［Ｊ］．广州建筑，２０１８，４６（４）：３－５．ＺＨＡＯＱ．Ｓｕｍｍａｒｙｏｎｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｙｓｔｅｍｏｆｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ［Ｊ］．ＧｕａｎｇｚｈｏｕＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，２０１８，４６（４）：３－５．［４］王伟玲．预制装配式建筑结构的发展综述［Ｊ］．价值工程，２０１８，３７（３１）：２８６－２８７．ＷＡＮＧＷＬ．Ｓｕｍｍａｒｙｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｕｉｌｄｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＶａｌｕｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８，３７（３１）：２８６－２８７．［５］杨林青，路银鹏，李欣．装配式轻钢结构低层住宅体系研究［Ｊ］．建筑技术开发，２０１９，４６（６）：１１－１２．ＹＡＮＧＬＱ，ＬＵＹＰ，ＬＩＸ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｌｏｗ⁃ｒｉｓｅｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｆａｂｒｉｃａｔｅｄｌｉｇｈｔｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．ＢｕｉｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，２０１９，４６（６）：１１－１２．［６］张西平．机械制造自动化技术特点与发展趋势［Ｊ］．河南科技，２０１３（８）：７８－８２．［７］朱博．浅谈工业拧紧技术的现状［Ｊ］．工业设计，２０１２（２）：８１．［８］张翩翩．装配式住宅建筑在乡村发展中的探索［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１８．ＺＨＡＮＧＰＰ．Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｎｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌｂｕｉｌｄ⁃ｉｎｇｓｉｎｒｕｒａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｄ］．Ｈａｎｇｚｈｏｕ：ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒ⁃ｓｉｔｙ，２０１８．［９］纵斌．低多层装配式建筑的应用现状与推广建议［Ｊ］．中外建筑，２０１８（４）：１４５－１４７．ＺＯＮＧＢ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓａｎｄｐｒｏｍｏｔｉｏｎｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｏｆｌｏｗ⁃ｒｉｓｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒａｓｓｅｍｂｌｙｂｕｉｌｄｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ＆Ｏｖｅｒ⁃ｓｅａｓＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，２０１８（４）：１４５－１４７．［１０］初国辉，常明尊．一种新型全自动打螺丝机的设计［Ｊ］．装备制造技术，２０１７（８）：２５９－２６０．ＣＨＵＧＨ，ＣＨＡＮＧＭＺ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｎｅｗｔｙｐｅｏｆａｕｔｏｍａｔ⁃ｉｃｓｃｒｅｗｄｒｉｖｅ［Ｊ］．ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１７（８）：２５９－２６０．［１１］龚辉，朱柏荣，方强．用于机器人自动钻铆的自动供钉系统试验研究［Ｊ］．机电工程，２０１２，２９（４）：４０４－４０８．ＧＯＮＧＨ，ＺＨＵＢＲ，ＦＡＮＧＱ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆａｕｔｏ⁃ｍａｔｉｃｒｉｖｅｔｆｅｅｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｒｏｂｏｔａｕｔｏｍａｔｉｃｄｒｉｌｌｉｎｇ＆ｒｉｖｅｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｇａ⁃ｚｉｎｅ，２０１２，２９（４）：４０４－４０８．［１２］龚辉．用于自动钻铆系统滑块式送钉模块设计与研究［Ｊ］．机电工程，２０１６，３３（４）：４３８－４４１．ＧＯＮＧＨ．Ｓｌｉｄｉｎｇｂｌｏｃｋｔｙｐｅｒｉｖｅｔｓｆｅｅｄｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｄｒｉｌｌｉｎｇ＆ｒｉｖｅｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅ⁃ｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，３３（４）：４３８－４４１．［１３］王月芹，周保廷，朱伟博．基于ＰＬＣ的锁螺丝自动化控制系统设计［Ｊ］．制造业自动化，２０１４，３６（１７）：１５２－１５６．ＷＡＮＧＹＱ，ＺＨＯＵＢＴ，ＺＨＵＷＢ．ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｌｏｃｋｓｃｒｅｗａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＰＬＣ［Ｊ］．Ｍａｎｕ⁃ｆａｃｔｕｒｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２０１４，３６（１７）：１５２－１５６．［１４］姬海翔，张倩，王绍宗，等．基于欧姆龙ＮＪ控制器的门架式机器人控制系统［Ｊ］．制造业自动化，２０１６，３８（１０）：７－９．ＪＩＨＸ，ＺＨＡＮＧＱ，ＷＡＮＧＳＺ，ｅｔａｌ．ＧａｎｔｒｙｒｏｂｏｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＯＭＲＯＮＮＪｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［Ｊ］．Ｍａｎｕｆａｃ⁃ｔｕｒｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２０１６，３８（１０）：７－９．［１５］郑昌俊．基于Ｓｙｓｍａｃ自动化平台的超大型剪板机数字控制系统研究与设计［Ｄ］．镇江：江苏大学，２０１６．ＺＨＥＮＧＣＪ．ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｎｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｓｕｐｅｒｌａｒｇｅｐｌａｔｅｓｈｅａｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｂａｓｅｄｏｎＳｙｓｍａｃａｕｔｏｍａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍ［Ｄ］．Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ：ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉ⁃ｖｅｒｓｉｔｙ，２０１６．（责任编辑：张楠）（上接第１４６页）［１２］陈亮亮，祝长生，王萌．碳纤维护套高速永磁电机热态转子强度［Ｊ］．浙江大学学报（工学版），２０１５，４９（１）：１６２－１７２．ＣＨＥＮＬＬ，ＺＨＵＣＳ，ＷＡＮＧＭ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｒｍａｌｃａｒｂｏｎ⁃ｆｉｂｅｒｒｅｔａｉｎｉｎｇｒｏｔｏｒｉｎｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｐｅｒｍａ⁃ｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ），２０１５，４９（１）：１６２－１７２．［１３］田拥胜，孙岩桦，虞烈．高速永磁电机电磁轴承转子系统的动力学及实验研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１２，３２（９）：１１６－１２３．ＴＩＡＮＹＳ，ＳＵＮＹＨ，ＹＵＬ．Ｄｙｎａｍｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｆａｃｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＰＭｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１２，３２（９）：１１６－１２３．［１４］沈建新，郝鹤，袁承．高速永磁无刷电机转子护套周向开槽的有限元分析［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１２，３２（３６）：５３－６０．ＳＨＥＮＪＸ，ＨＡＯＨ，ＹＵＡＮＣ．ＦＥＡｓｔｕｄｙｏｎｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎ⁃ｔｉａｌｇｒｏｏｖｅｓｏｎｒｏｔｏｒｒｅｔａｉｎｉｎｇｓｌｅｅｖｅｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＰＭｂｒｕｓｈｌｅｓｓｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１２，３２（３６）：５３－６０．［１５］董剑宁，黄允凯，金龙，等．高速永磁电机设计与分析技术综述［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１４，３４（２７）：４６４０－４６５３．ＤＯＮＧＪＮ，ＨＵＡＮＧＹＫ，ＪＩＮＬ，ｅｔａｌ．Ｒｅｖｉｅｗｏｎｈｉｇｈｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍａｃｈｉｎｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｄｅｓｉｇｎａｎ⁃ｄａｎａｌｙｓｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１４，３４（２７）：４６４０－４６５３．（责任编辑：张楠）。
关于高速永磁电机综合设计与分析
关于高速永磁电机综合设计与分析发表时间：2018-11-11T11:30:44.873Z 来源：《电力设备》2018年第17期作者：张树坤[导读] 摘要：随着我国科学技术的不断发展，我们国家对永磁电机的设计要求也在不断地提高，因此，要求设计人员必须运用最先进的科学技术对传统的永磁电机进行不断地完善，使其拥有最快的运行速度和良好的工作性能。
(东莞市天一精密机电有限公司广东东莞 523000)摘要：随着我国科学技术的不断发展，我们国家对永磁电机的设计要求也在不断地提高，因此，要求设计人员必须运用最先进的科学技术对传统的永磁电机进行不断地完善，使其拥有最快的运行速度和良好的工作性能。
本篇文章将针对于我国高速永磁电机的设计进行详细地分析，同时也会对其相关的分析技术进行研究，希望能够给科研人员提供一些借鉴。
关键词：高速永磁电机；电机设计；技术分析引言:在设计方面，高速永磁电机的设计主要包括两种，一种是对电机转子的设计，另一种是对电机定子的设计。
而在分析技术方面，高速永磁电机运用技术有三种，分别是电机损失和消耗、转子强度和温度的计量以及运算。
笔者将对这两种设计和三种分析技术进行深入探讨与研究。
一、高速永磁电机的设计分析（一）对电机转子设计的分析高速永磁电机在正常运行的过程中，其转子也会随着永磁电机一起高速的运行，当速度达到某种程度时，电机的转子就会偏离电机的运转中心，这样就会使电机的转子产生离心力，从而导致一些意外事件地发生。
除此以外，如果电机的转子运行的速度非常快，由于摩擦生热，转子就会在运转过程之中产生大量的热能，这样会对电机的转子机构产生影响，从而造成一些不必要的损失。
综上所述，如果想要保证高速永磁电机的安全运行，就必须保证电机的转子具有最基础的强度，使其在工作过程之中不会产生非常大的离心力，防止意外事件的发生。
此外，电机转子还要具备耐高温、低消耗等特点。
如果想要完成这两方面的保证，就一定要从电机转子的材质和结构设计两方面进行深入分析。
高速永磁电机转子设计与强度计算
１ 高 速 永磁 电机 转 子 结 构 的 设 计
１ ． １ 高 速永 磁 电机 转子 外径 的选取 在 高速 永磁 电机 转 子 的设 计 上 ， 电磁 与 机 械 是 要 统筹 考虑 的两个 方 面 ， 因为 永 磁 电机 的转 子 不 仅 要 为 定子 绕组 提 供较 强 的 旋 转 磁 场 ， 还 要 承 受 高 速 旋 转 过
ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｔ ｏ ｍａ ｋ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ．
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摘要 ：永 磁 电机具 备结 构简单、 力能密度高 、 无励磁损耗 、 效率高 等诸 多优 势 ， 最适 用于 高速 电机 中。采取 解析 法对转 子与 轴承 系
统 的动 力 学 进 行 分 析 ， 可 对 高 速 永 磁 电机 运 行 的 安 全 性 、 可 靠 性 有 至 关重 要 的 影 响 。 因此 ， 做 好 高 速 永 磁 电机 转 子 设 计 与 强 度 的计 算 尤为重要。 关 键 词 ：高 速 永 磁 电机 ： 转子设计 ； 强 度 计 算 中 图分 类 号 ：Ｔ Ｍ３ ３ ６ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ ４—８ ６ ４ ６ （ ２ ０ １ ７ ） １ ４— ０ ０ ２ ８—０ ２
高速永磁电机设计与分析技术研究
高速永磁电机设计与分析技术研究高速永磁电机在使用过程中与传统电机相比，具有体积小、功率密度高、运行成本低、可靠性高，不需要凭借维护困难、运行复杂的变速装置，能够直接和原动机或高速负荷连接等优势。
因此在精密制造、航空航天、能源等领域具备长远的发展前景。
本文主要从高速永磁电机的定转子结构和材料，铜耗、定子铁耗、风摩损耗、转子涡流损耗等方面，归纳总结各项损耗的值，概括了高速电机的转子的支承方式的演变与发展。
最后，对高速永磁电机主要发展方向进行了展望。
高速永磁电机；损耗分析；转子强度；电机设计高速永磁电机根据它功率密度和效率高的优点，具有极大的发展潜力，它广泛地应用于各种功率层级的场所，并发展成为目前国内在在电机方面所研究的一个热点问题。
虽然高速永磁电机的相关技术遵循了电磁原理，但是高转速也带来了一些需要深入研究的问题。
定转子的机构及其所使用的材料高速永磁电机的运行除了电磁性能，它的转子结构和其所使用的材料对振动水平和高速转动也产生了直接影响，这也是对高速永磁电机相关技术设计和分析的关键一环。
目前，高速永磁电机定转子常用的保护材料有玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维等纤维强度较高的复合材料，还有钛合金等特种合金，这种合金也是高强度的。
定转子通常采用的两种结构是表贴式结构和两极圆柱的永磁体结构。
前者的结构设计是将永磁体贴在轴的表层，然后由合金护套或符合材料进行保护。
通过对永磁体沿着径、轴向分段来控制它的内部涡流，从而消除内径处应力集中。
后者的转子结构相对简单，它选取适当的过盈量使得永磁体在不同转速和不同温度下都受压力，主要是防止其离心力遭到破坏。
这两种结构都是径向的磁场结构，可以达到功率密度较高的效果。
损耗情况分析及计算方法a铜耗铜耗是耗能的主要部分。
在计算时，受临近效应（高频磁场对相邻导体产生的效应）和集肤效应（电流频率较高时使得电流密度聚集到导体表面）的影响，不可以直接运用直流电阻的计算方法，这会使得计算结果偏大。
试论高速永磁电机设计与分析技术
试论高速永磁电机设计与分析技术高速电机是在不断简化传统电机变速装置的基础上形成，在连接高速负载或原动机时更加直接。
无论是功率密度，还是可靠性，高速电机远远优于传统电机。
高速电机的应用范围相当广泛，高速机床、鼓风机以及微型燃气机等领域都已经逐步实现有效利用高速电机的目标。
高速永磁电机会遵循基本电磁原理进行分析与测试，但是在高转速带方面有待提高。
基于此，工作人员需要深入研究高速永磁电机设计与分析，逐步解决高转速带中存在的问题。
一、分析高速永磁电机设计的细节1.精细化设计电机转子首先，电机转子具备高频旋转的特性，因此，运行时会有一定的离心力，即便是高速永磁电机常规化运行，也无法摆脱高频旋转的性质。
电机转子在不断运行过程中会涉及到不可避免的摩擦问题，这也是导致温度不断升高的重要因素，最终对实际质量造成影响。
基于上述考虑，工作人员开始对电机转子管理工作进行创新，强化管理力度，借此提升高速永磁电机的运行效率，改善高速永磁电机运行安全性较差的问题。
高速永磁电机具备耐高温以及低损耗的特性，建立管控机制时，必须充分考虑到高速永磁电机的运行状况与独特属性，提升管控机制的实效性与针对性。
其次，设计人员对电机转子进行的深度整合，一方面体现在设计电机转子材料上，需要结合实际选择科学合理的永磁材料，这类永磁材料具备较高的矫顽力，加之受到较小的维度系数影响，永磁材料可保障温度的稳定性，在适当的环境中，为高速永磁电机顺利运行助力；另一方面体现在设计电机转子结构方面，设计时注意遵循集中性原则。
在使用过程中保护材料是为高速永磁电机后续运行奠定基础，因此需要结合高速永磁电机选择恰当的永磁结构，一般会利用表贴式永磁结构或者两极圆柱永磁结构，这两种结构在保护材料时起到了明显作用。
最后，设计人员在整合电机转子材料和结构前需要进行充分的准备，深入分析电机转子，做到熟悉并掌握电机转子的特性与价值。
矫顽力较高的永磁材料，不仅可以维护温度的稳定性，也可在最短时间内适应高温环境。
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永磁转子的结构设计
2.1 转子外径的选取 对于高速永磁电机来说，永磁转子的设计要统
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第 15 期
王继强等： 高速永磁电机转子设计与强度分析
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筹考虑电磁和机械两方面的要求，即永磁转子需要 为定子绕组提供足够强的旋转磁场，同时永磁转子 本身又要能承受高速旋转产生的巨大离心力。 由于离心力与旋转速度的平方成正比，即与转 子半径的平方成正比，为了减少离心力，转子外径 应尽可能地小。然而，由于下述原因，转子外径不 能太小： （1） 为了产生需要的电磁转矩和输出功率， 转 子应该有足够的空间安装永磁体，而定子必须有足 够大的空间安放铁心和绕组。 （2） 转子应具有足够的刚度， 因而转子不能过 于细长，直径与长度需要有一个合适的比例。 2.2 电机极数的选取 高速电机的极数较少， 一般采用 2 极或 4 极。 2 极电机便于永磁体采用整体结构，以保证永磁转子 机械和电磁性能的对称性。同时 2 极电机定子铁心 磁场和绕组电流的频率仅为 4 极电机的一半，有利 于减少电机定子的铁耗和铜耗。2 极电机的主要缺 点是定子绕组的端部较长，同时所需要的定子铁心 轭部面积较大。 从电磁和机械两个方面综合考虑，特别是从转 子结构设计来看，采用 2 极方案比较有利。 2.3 永磁材料的选择 永磁体材料的性能在一定程度上决定了高速电 机的尺寸和性能。选择永磁材料时需要考虑： （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[3]。 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，永磁体与护套间采用过盈配 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。
永磁体 保护套
转轴
图 1 一种高速永磁电机转子结构示意图 Fig. 1 A rotor structure of high speed permanent magnet machine
ABSTRACT: In this paper, the design features of high speed permanent magnet machines are introduced. More discussions are paid to the choice of permanent magnet (PM) material and rotor structure, determination of main rotor dimensions, and analysis method of rotor strength. Nowadays, the sintered neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B) material is used in most of PM machines. This kind of PM material has large compression strength but small tensile strength, and can not withstand the large centrifugal force due to the high rotation speed. A nonmagnetic steel enclosure is needed to cover the PM material. The tensile press of PM can be reduced by pre-pressure applied to the outer surface of the PM through shrink-fitting into the enclosure. The rotor strength analysis methods of high speed PM machine by means of analytical method as well as finite element analysis are introduced. As an example, the strength analysis results for a high speed PM machine with rated speed of 60000r/min are presented. KEY WORDS: Electric machinery; High speed; Permanent magnet machines; Rotor design; Strength analysis 摘要：文中介绍了高速永磁电机的设计特点，重点论述了永 磁材料和转子结构型式的选取、 主要尺寸的确定与转子强度 的分析和计算方法。 目前永磁电机多采用烧结钕铁硼永磁材 料，其抗压强度较大而抗拉强度很小，永磁体难以承受转子 高速旋转巨大离心力产生的拉应力， 必须在永磁体外设置高 强度非导磁防护套， 采用过盈配合给永磁体施加一定的预压 力。 文中介绍了采用解析法和数值分析有限元法进行高速永 磁电机转子强度分析的实用技术， 并给出了对一台额定转速 为 60000r/min 的高速电机永磁转子强度的分析计算结果。 关键词：电机；高速；永磁电机；转子设计；强度分析
高速永磁电机转子设计与强度分析
王继强，王凤翔，鲍文博，关恩录
（沈阳工业大学电气工程学院， 辽宁省 沈阳市 110023）
ROTOR DESIGN AND STRENGTH ANALYSIS OF HIGH SPEED PERMANENT MAGNET MACHINE
WANG Ji-qiang，WANG Feng-xiang，BAO Wen-bo，GUAN En-lu （School of Electric Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, Liaoning Province, China）
基金项目：国家自然科学基金项目（50437010） 。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50437010).
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引言
由电机运行原理可知，当转矩一定时，电机的 输出功率与转速成正比，也就是说，通过增加转速 可提高电机的输出功率。高速电机的应用领域越来 越为广泛，如高速磨床及其他加工机床，高速飞轮 储能系统，天然气管道中采用的离心压缩机和鼓风 机以及分析设备中的真空泵等。近来，用于分布式 供电系统的微型燃气轮机驱动高速发电机越来越受 到人们的关注。对于小型燃气轮机来说，由于不需 要驱动传统低速电机必须的减速器，不但提高了工 作效率，而且提高了可靠性[1-4]。永磁电机由于其结 构简单，力能密度高和无励磁损耗效率高等优点， 最适合用于高速电机[3-5]。 高速电动机和发电机的转速通常在 30000 r/min 以上,甚至超过 100000 r/min，定子齿和铁心中磁通 的变化频率超过 1kHz。 高速高频电机的设计与普通 低速低频的电机有很大的不同[6-9]。 转子与轴承系统 的动力学分析对高速电机的运行可靠性有着重要的 意义[10-14]。 转子设计是高速永磁电机设计的关键，主要考 虑的问题有：转子直径和长度的选取；永磁材料的 选择和采用的保护方式（永磁体不能承受高速旋转 时受到的巨大的离心力，必须采用一些高强度材料 来保护） ；转子的强度和刚度分析；轴承的设计（高 速电机不能采用普通的轴承而必须采用非接触式的 空气轴承或磁力轴承）等。本文着重论述转子强度 和永磁体的保护问题。
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中 国 电 机 工 程 学 报
第 25 卷
3.2 转子护套位移分析 （1）静态过盈量 静态过盈量即装配过盈量，为永磁体外半径与 护套内半径之差 δ s = rmo − rei （2）旋转位移及旋转静过盈量 由于旋转离心力的作用，永磁体及护套均产生 径向位移，其位移分别为 2 3 Be ρe (1 − ve )ω 2 rei − ud ,ei = Ae rei + rei 8Ee 2 2 2 A = (3 + ve )(1 − ve )( rei + reo ) ρeω e 8Ee 2 2 (3 + ve )(1 + ve )rei reo ρeω 2 B = e 8Ee 2 3 )ω 2 rmo Bm ρm (1 − vm u A r = + − m mo d ,mo 8 Em rmo 2 2 (3 + vm )(1 − vm )( rmi ) ρmω 2 + rmo Am = 8 Em 2 2 (3 + vm )(1 + vm )rmi rmo ρ mω 2 B = m 8 Em (1)