高速永磁轉(zhuǎn)子失效轉(zhuǎn)速分析

陳恩濤　施道龍　卓亮

摘要：高速永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究，對于保證轉(zhuǎn)子可靠、穩(wěn)定的工作具有重要意義。為了研究高速表貼式永磁轉(zhuǎn)子的護(hù)套失效問題，采用有限元方法分析了護(hù)套的彈塑性變形情況，獲得了護(hù)套在不同工況下的彈塑性應(yīng)力，得出了永磁轉(zhuǎn)子的失效轉(zhuǎn)速，且超速試驗(yàn)與仿真結(jié)果具有良好的一致性，為永磁轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速轉(zhuǎn)子;失效轉(zhuǎn)速;強(qiáng)度設(shè)計(jì);彈塑性力學(xué)

0 引言

高溫高速發(fā)電機(jī)是全電、多電飛機(jī)重要的供能設(shè)備。高溫高速發(fā)電機(jī)工作時(shí)面臨著復(fù)雜的物理環(huán)境，給發(fā)電機(jī)的安全、可靠性帶來了極大的挑戰(zhàn)。其中，高速旋轉(zhuǎn)的磁鋼對護(hù)套產(chǎn)生強(qiáng)應(yīng)力擠壓作用，會(huì)增加護(hù)套破裂失效的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)毀壞，給主機(jī)系統(tǒng)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，開展高速永磁轉(zhuǎn)子強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究，對于保證發(fā)電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性和質(zhì)量可靠性具有重要意義。國內(nèi)外對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度均進(jìn)行了比較全面的研究，其研究涉及轉(zhuǎn)子材料、結(jié)構(gòu)尺寸、過盈量及溫度等方面[1-4]，卻鮮有考慮轉(zhuǎn)子的彈塑性力學(xué)行為，對轉(zhuǎn)子護(hù)套的機(jī)械強(qiáng)度研究不夠透徹。因此，本文基于ANSYS Workbench多物理場仿真平臺(tái)，研究了某型航空用高溫高速發(fā)電機(jī)在30 000 r/min、35 000 r/min工況下的轉(zhuǎn)子彈塑性力學(xué)行為，獲得了表貼式永磁轉(zhuǎn)子安全工作的極限轉(zhuǎn)速，且超速試驗(yàn)與仿真結(jié)果具有良好的一致性，為轉(zhuǎn)子的安全運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間和強(qiáng)度設(shè)計(jì)改進(jìn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)子彈性變形分析

高速表貼式永磁轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、擋板、L型護(hù)套、切向磁鋼和徑向磁鋼組成，磁鋼與護(hù)套為過盈接觸，過盈量為0.015 mm。護(hù)套和擋板采用鈦合金材料制作，轉(zhuǎn)軸采用2Cr13制作，磁鋼為釤鈷磁鋼。轉(zhuǎn)子主要尺寸參數(shù)如下：護(hù)套外徑為96.6 mm、厚度為2 mm，磁鋼厚度為7.6 mm，磁鋼與護(hù)套的單邊過盈量為0.015 mm。在35 000 r/min條件下，護(hù)套表面線速度達(dá)到了170 m/s。

30 000 r/min工況下轉(zhuǎn)子的等效應(yīng)力云圖如圖1所示，轉(zhuǎn)子最大等效應(yīng)力為793.25 MPa，位于護(hù)套內(nèi)圓上，應(yīng)力值小于鈦合金的屈服強(qiáng)度930 MPa，因此在30 000 r/min條件下轉(zhuǎn)子仍處于彈性變形范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子的徑向變形云圖如圖2所示，轉(zhuǎn)子表面最大徑向變形量為0.381 33 mm，因應(yīng)力尚處于彈性范圍內(nèi)，故轉(zhuǎn)子停止工作后變形能恢復(fù)到初始過盈狀態(tài)。

基于線彈性力學(xué)理論，轉(zhuǎn)子應(yīng)力在達(dá)到屈服強(qiáng)度前，轉(zhuǎn)子變形與等效應(yīng)力將與載荷呈正比，而離心力是高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子受到的主要載荷，離心力與轉(zhuǎn)速平方呈正比。由于轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力達(dá)到護(hù)套屈服強(qiáng)度930 MPa時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速升高轉(zhuǎn)子將進(jìn)入塑性變形，以30 000 r/min為基準(zhǔn)，可以預(yù)測轉(zhuǎn)子即將發(fā)生塑性變形的轉(zhuǎn)速為32 500 r/min。一旦轉(zhuǎn)速超過32 500 r/min，護(hù)套將會(huì)累積塑性變形，即使轉(zhuǎn)子停止工作后，也不能恢復(fù)到初始狀態(tài)。

2 轉(zhuǎn)子彈塑性變形

通過上述分析，轉(zhuǎn)子以35 000 r/min高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，護(hù)套將會(huì)發(fā)生塑性變形，L型護(hù)套的等效應(yīng)力云圖如圖3所示，護(hù)套最大應(yīng)力為983.76 MPa，護(hù)套內(nèi)圓應(yīng)力為932.57 MPa，均超過了鈦合金屈服強(qiáng)度930 MPa，因此護(hù)套內(nèi)圓已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形;護(hù)套外圓應(yīng)力也接近鈦合金屈服強(qiáng)度930.56 MPa，在磁鋼離心力作用下，35 000 r/min工況下護(hù)套外圓也開始產(chǎn)生塑性變形。L型護(hù)套塑性應(yīng)變云圖如圖4所示，L型護(hù)套內(nèi)圓中部已經(jīng)產(chǎn)生區(qū)域化的塑性變形，而且外表面區(qū)域中部塑性變形也幾乎連通，整個(gè)區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形，因此在35 000 r/min工況下運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子護(hù)套的中部已不能再恢復(fù)到初始過盈狀態(tài)，一旦轉(zhuǎn)速再增加，轉(zhuǎn)子將會(huì)失效。

3 高速永磁轉(zhuǎn)子超速試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)子護(hù)套強(qiáng)度，對該發(fā)電機(jī)進(jìn)行了超速試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速從30 000～36 000 r/min間隔1 000 r/min逐級增速，當(dāng)發(fā)電機(jī)以35 000 r/min工作時(shí)，測試得到1 min后轉(zhuǎn)子運(yùn)行正常，發(fā)電機(jī)發(fā)電性能正常，而當(dāng)發(fā)電機(jī)以36 000 r/min工作1 min不到，轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生掃膛現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)輸出性能迅速降低。拆卸發(fā)電機(jī)后，轉(zhuǎn)子L型護(hù)套開口側(cè)裂開，產(chǎn)生明顯的塑性變形，如圖5所示，拆卸護(hù)套后，護(hù)套開口側(cè)向外擴(kuò)張明顯，變形趨勢與仿真變形情況一致。

通過對轉(zhuǎn)子護(hù)套進(jìn)行彈塑性力學(xué)行為分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)護(hù)套內(nèi)外表面均產(chǎn)生大面積塑性應(yīng)變后，轉(zhuǎn)子已經(jīng)達(dá)到極限轉(zhuǎn)速，一旦轉(zhuǎn)速增加，護(hù)套將產(chǎn)生大變形而失效。因此，轉(zhuǎn)子護(hù)套的設(shè)計(jì)應(yīng)保證護(hù)套不出現(xiàn)大面積的塑性應(yīng)變，最好保證其應(yīng)力在材料的彈性范圍內(nèi)，以保證轉(zhuǎn)子停止工作后能恢復(fù)至原狀，提升電機(jī)的可靠性。

4 結(jié)語

本文對表貼式永磁轉(zhuǎn)子在磁鋼離心力作用下的護(hù)套彈塑性力學(xué)行為進(jìn)行了有限元仿真及實(shí)驗(yàn)研究?；谟邢拊M，獲取了轉(zhuǎn)子護(hù)套應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度的臨界轉(zhuǎn)速值，在彈性轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子不會(huì)失效;獲得了超過臨界轉(zhuǎn)速后的護(hù)套塑性變形情況，與超速實(shí)驗(yàn)獲得了一致的變形結(jié)果，護(hù)套應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度后，護(hù)套就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，隨轉(zhuǎn)速增加，塑性區(qū)域逐漸增大，進(jìn)而使護(hù)套失效。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張超，朱建國，韓雪巖.高速表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（17）：4719-4727.

[2] 程文杰，耿海鵬，馮圣，等.高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（27）：87-94.

[3] 張萌，韓雪巖，楊毅.基于ANSYS的高速表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析[J].電工技術(shù)，2019（9）：8-11.

[4] GUILLAUME B，DOUGLAS M A，YVES P.Very-High-Speed Permanent Magnet Motors Mechanical Rotor Stresses Analytical Model [C]//2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference （IEMDC），2017：1-7.

收稿日期：2020-03-27

作者簡介：陳恩濤（1993—），男，貴州六枝人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：高溫高速發(fā)電機(jī)、流熱耦合仿真技術(shù)。