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高速永磁电机转子综合设计方法及动力学特性的研究

王天煜  
【摘要】: 高速电机由于体积小、功率密度大和效率高,成为电机领域的研究热点之一。永磁电机以其结构简单,力能密度高和无励磁损耗效率高等优点,最适合于高速电机。高速高频电机与普通电机相比设计难度较大,为了减少离心力及产生需要的输出功率,转子一般为细长型,同时转子还应具有足够的刚度,特别是对于采用磁悬浮轴承的高速电机转子,为了减小跨越弯曲模态临界转速时磁悬浮控制的难度,对于转子刚度的要求更高。对于永磁电机来说,转子强度问题更为突出,因为永磁体不能承受高速旋转产生的拉应力而必须对其采取保护措施。因此转子强度的准确计算和动力学分析是高速永磁电机设计的关键技术。 本文研究内容是国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机—高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”(编号50437010)的部分研究内容,重点针对转子强度、动力学分析及转子结构综合设计进行了深入研究,并对高速电机及其机组进行实验研究。主要包括以下内容: (1)对高速永磁转子进行基于电磁、强度及动力学特性分析的综合设计。首先根据高速旋转下转子表面线速度初选转子外径,进行强度计算,根据转子材料的强度要求确定转子外径允许变化范围;其次根据电机的输出功率要求,选取永磁体结构和转子的轴向尺寸,进行电磁特性分析;然后进行转子的动力学分析,根据刚度及动力学要求确定转子长度;最后,在综合满足强度、刚度和电磁性能基础上,对转子结构进行多场综合设计。 (2)利用有限元非线性接触方法建立护套和永磁体轴对称模型,计算永磁体和护套在各种工况下应力及其接触压力,确定合适的过盈量。分析几种典型高速永磁电机转子结构在不同工况下的应力分布情况,选择满足强度要求适合于高速电机的转子结构。 (3)为了准确计算转子临界转速,建立同时考虑剪切变形和转动惯量影响的磁力轴承转子有限元模型。确定各向异性有限元模型中的材料属性,利用磁悬浮转子系统自身悬浮特性进行激振实验,确定有限元模型中磁力轴承支承刚度。分析磁力轴承刚度、转子结构参数对转子临界转速及振动模态的影响,研究通过改变磁力轴承刚度及结构参数避免共振使转子具有良好动态特性的设计方法。 (4)建立柔性联轴器耦合的多跨转子系统有限元模型。用弹簧单元模拟弹性联轴器的轴向、径向及扭转刚度,计算轴系振动模态及固有频率,分析联轴器结构及刚度对轴系临界转速的影响及避免共振的方法。 (5)振动是高速电机稳定运行的瓶颈,通过振动分析研究减小和抑制振动的方法。通过有限元及Newmark积分法计算转子在不平衡力作用下的非线性不平衡响应,分析高速电机运行中振动产生的频率成分,并对仿真结果进行实验验证。 (6)对高速电机进行实验研究。在空载及负载条件下,测试电动机及发动机电磁特性及单转子、机组轴系的振动位移、振动频谱、轴心轨迹、机座振动加速度等。


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