高速永磁电机转子结构与强度分析

2019年第1期

第54 ( 206期）（EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE)

高速永磁电机转子结构与强度分析

王雨

(中国石油吉林石化分公司乙烯厂，吉林吉林132000)

摘要分析了高速永磁电机的转子结构、材 性能 关系，并转子的强度计算进行

详细介绍，并 了高速永磁电机转子支撑、转结构、表 转 度以及内置式转子强度

的分析方法。

关键词咼速永磁电机;转子支撑技术;转子结构;转子强度分析

DOI $ 10.3969/J. ISSN. 1008-7281.2019.01.09

中图分类号:T M351 文献标识码:A文章编号：1008-7281 (2019)01 -0030-003

Structure and Strength Analy s es of High-S peed

Permanent-Magnet Motor Rotor

Wang Yu

(Ethylene Plant，Jilin Petrochemical Branch of CNPC，Jilin 132000,China)

A bstra c t This paper analyzes the relationship am ong structure，m aterial and perform ance

of high-speed perm anent-m agnet m otor rotor，introduces the strengtli calculation of rotor in tail，and puts forw ard the analysis m etliods of rotor supporting technology，rotor structure，sur­

face-m ounted rotor strengtli and built-in rotor strengtli of h igh-sjD eed perm anent-m agnet m otor.

K e y w ords H igh-sjD eed perm anent-m agnet m otor；rotor supporting technology；rotor struc­

ture；rotor stren g th i analysis

0引言

高速永磁电机具有功率密度高、可靠、运行成

本低等优点，在石化工领域应用 ，然而由

于电机转 承受很大的离 较大 ，

因此转子的设 关键。本文 此情况

了转子离、电机散热面积、功 度大所带来的 的分析与计算，这对转子结构与强度非。

1转子支撑技术

转子支撑技术关键是轴承技术的研究，只有 到长期稳定运行，才能够在高速永磁电机 ：行 用，目前主要有两大类，第一类是高速滚 珠轴承，第二类是磁 空气轴承。

图1为速轴承，成低、，技术成熟，这是应用最为 的轴承，其速运行的主性能指标B V值，由轴承内径B(mm)与转速 @( r/min)的乘积表示，普通值在50 以下，速值在100 以⑴。

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图1滚珠轴承

图2为空气轴承，利用的是轴承与轴 的

支撑转子，分为动 两种，优点是 用磁场即可。这样在电磁环境求高的 ，空气轴承显示出很大优，是空气轴承间隙小，精度要求尚。图3为磁 轴承，分为主动和被动两种磁 轴承，主动磁 轴承优点无 滑油，能够实现无接，而 成本低，是刚度较低，技术尚未成熟，应用 受到局限制。

图2

空气轴承

2019年第1期(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE) 第54 ( 206期）

图3磁悬浮轴承

2转子强度分析

速电机转子设计原则有两点，其一是在高 转速 下，各部 承受很大的离，保证部分离、坏。其是高的温下，部

因现不平衡和结 坏现象，同永磁体功能 现退磁现象，因此 有较小的转 。

2. 1转子结构及材

世纪&〇代开 速永磁电机，转结构大致分为两类，有置表 两种，如 图4所示。

(a)表贴式 （b)内置式

图4转子结

速永磁电机的等效气隙相对较大，为了满 足磁通要求，有较 顽力的永磁材，用的有 钐钴，钐钴相 有小的温度系 的 温度，因此在 温度较、散困难场合的航空发动机有应用优势，但是 两种都是脆性材料，具有较 压强度，抗拉强度很低，因此 采取结 的保护。

套材料通常有复合材 合金两种，也可采用硅钢 为保护材料，硅钢 为保护材料只适用于转速低的场合。复合材料包括碳纤 、玻璃纤 凯夫拉纤 度复合材料，可以保证足够的抗拉强度，但是于是磁，增加了等效气隙和磁路长度，在结 设计，使得永磁 用 ，可以增 筋，则可以达到±曾加分担离 用，又可以减 套厚度，进而减少气隙长度。

合金材 为护套，即可以达到保护目的，同于是合金，具有屏 用，因此护套的 可以 虑，对于永磁铁的涡流损行结 。

2.2表 转 度分析

前，表 用护套有碳纤 合 f 套两种，第一种是将永磁铁用碳纤 行，第二种是永磁铁过盈套入钛合金保护套。第一种加 相对困难，稳性很到。

转 结 现 有两 ，包括 效 。

效包括 断裂两种，材属性，进行不

同的 分析，这样才能保证转子的安全 。

度分析有两种方法，其一是解析法，其是

有限元法。这里介绍解析法，此法采用弹性 ：行计算，将轴向长度设为无限长，轴 ：

变，将转子结 化，结构为护套、永磁 转子

轭 同心圆，见图5。

图5可知，半径；处的拉应力％为

)=-"[给(;2+;2+字)-W T1⑴因此，％最大值％m(为

)腿=-*(;12+7;22)⑵

由图5可知，永磁铁对于护套的压应力,为

*(;3 -;。3)(3)

由，引起的护套内部拉应力％

套的包括永磁铁、转子和护套，前

两种忽略不计，因此热应力％*为

= Us%* - EaAT(5)因此在 用下，应变s

丄丄^S+C T m+C T%*

S=SA*+S m+Stm a x=-----E-----(Y)

为了满足结构力学要求，满足以下几

占[2]

六V、〇

(1) 过盈量％应至少为s;，才能保证超速下 不飞脱。

(2) )m a X丄）m丄）A T不超过护套的安全许用

应力。

(3)套设定合适的安全系数。

2.3 置式转 度分析

这种结也包括解析法和有限元法两种，这

里介绍有限元法，采用的是Ansys workbench软 行计算，永磁体为脆性材料，抗压 拉，因

此靠近转轴的面与转 接触，远离转轴的

面和保 的接触，约类型设定为固定接触，

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