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高速永磁电机转子结构强度及动力学研究

崔健  
【摘要】:高速永磁电机工作效率高且功率密度大,在国防科技,汽车工业等领域得到了非常普遍的运用。由于其转速非常高且还有上升的趋势,从而在电机设计中为满足转子各部件结构强度的要求以及分析其动力学特性带来了一定的难度和挑战。因为一旦设计不合理就会造成转子各部件破坏以及共振等故障。因此,高速永磁电机转子结构及其动力学特性对电机转子的安全运行具有重要的意义。本课题对一台额定转速为35000rpm的高速永磁电机的转子进行仿真,针对转子强度以及动力学进行了深入的研究。首先,确定高速永磁电机表贴式转子和内置式转子的结构,得到课题所选表贴式转子的最佳过盈量是0.04mm;利用等效圆环法则,进行内置式转子应力解析;研究部分表贴式转子和内置式转子强度的影响因素,得到磁钢等效应力与护套厚度成正比的规律;对于“一”字形内置式转子,适量增加磁钢分块数和加强筋厚度都只能减小铁芯等效应力而不能使磁钢应力减小。其次,建立转子的实体单元模型;给定边界条件,提取转子的前6阶固有频率;根据不同高速永磁电机转子的运行条件,研究部分影响高速永磁电机转子模态的几种预应力和临界转速的影响因素,得出旋转离心力对转子模态的影响要小于流固耦合作用力;深入研究求取临界转速的方法并与有限元法进行对比,并判断本课题所选电机转子不会发生共振现象,能够安全稳定运行;采用控制变量法,分析几种影响转子临界转速的因素,得到转子临界转速与轴伸长度、转子直径成反比,与轴承刚度成正比的关系。最后,根据工程上要求的转子品质等级,估算转子的质量偏心力;观察转子的1阶振形,将质量偏心力加到转子中心,得到转子的不平衡响应曲线和轴心轨迹,得到对于此种高速永磁电机刚性转子,随着转速的逐渐上升,将在频率接近1100hz时产生第一次共振的结论,验证之前求得的临界转速的正确性;通过仿真得到的转轴等效应力,寿命和损伤云图均满足要求。


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