內置式高速永磁電機轉子強度分析

趙亮

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-6249

摘? 要：內置式高速永磁電機轉子在高速運行時，因受到巨大離心力的作用，極易受到損壞。針對該問題借助有限元軟件對“一”字型徑向充磁內置式永磁電機轉子進行了強度仿真分析。提出了一種永磁體“一”字型分段內置式轉子結構，通過計算不同加強筋數(shù)量時轉子所受的最大應力，總結出加強筋數(shù)量對轉子機械性能的影響規(guī)律，通過結果對比得出永磁體周向分段結構能有效減小轉子所受應力的最大值，對高速內置式永磁轉子設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：內置式永磁電機? 強度分析? 加強筋? 有限元分析

中圖分類號：TM355? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（a）-0059-04

Mechanical Strength Analysis of High Speed Interior Permanent Magnet Synchronous Motor

ZHAO 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 finite 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 influence 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 significance.

Key Words： IPMSM; Strength analysis; Stiffener; Finite element analysis

隨著電機的不斷發(fā)展，對電機的要求也在不斷提高，永磁電機因其結構簡單、可靠性強、體積小、功率密度大，效率高等優(yōu)點廣受關注[1]。但是，由于永磁電機在高速旋轉時，轉子會承受較大的離心力，因此該類電機的設計理念與常規(guī)電機有很大不同，首先要確保高速電機結構的機械強度和可靠性。電機運行時轉子部分所受的應力比較大，尤其是永磁體隔離橋部分所受的應力，這成為了電機設計的一項關鍵的制約因素。而對轉子中永磁體進行分段，增加加強筋的數(shù)量，可以有效減小隔離橋部分所受的應力[2]。本文分析了永磁體的加強筋數(shù)量和其受力情況之間的關系。

1? 高速永磁結構的轉子結構

對于高速永磁電機，其轉子結構主要可分為表貼式結構和內置式結構。表貼式電機轉子結構的永磁體設計為瓦片型，貼附于轉子鐵心的外表面。電機處于高速運行狀態(tài)時，外層永磁體會受到巨大的離心力而與轉子脫離，因此當采用該結構時需在永磁體外部裝配具有一定過盈量的碳纖維護套或合金護套，以確保電機在運行過程中永磁體能與轉子鐵心之間始終存在接觸壓力，不會因離心力被拋散或損壞[3-6]。內置式永磁電機的轉子不需要護套來對永磁體進行保護，而是將永磁體內嵌在轉子鐵心中，所以相對于表貼式電機其電磁氣隙的長度較小。同時由于電機存在dq軸不對稱，凸極效應產生的附加磁阻轉矩將進一步提高電機的效率。常見的表貼式轉子和內置式轉子的結構示意圖如圖1所示。

但是“一”字型內置式永磁電機由于極靴的厚度相對較薄，且其距離旋轉中心的距離最遠，當電機高速運行時將受到巨大的離心力作用而產生嚴重形變，因此轉子的最大受力點將出現(xiàn)在連接極靴的隔磁橋部分，這成為了內置式永磁電機設計的一項關鍵的制約因素。

為了改善內置式轉子的機械性能，本文選取永磁體分段式轉子，在分段永磁體中間增加加強筋結構，并對其機械性能進行了計算分析。

2? 基于有限元計算的轉子強度分析

本文以一臺“一”字型轉子結構的高速永磁電機為例，對比了永磁體分段前后轉子應力的變化，并對采用不同分段數(shù)時應力的變化規(guī)律進行了總結，轉子材料參數(shù)見表1所示。

2.1 有限元模型的建立與邊界條件施加

通過SolidWork軟件根據(jù)電機轉子的實際尺寸進行適當簡化建立三維模型，并將其導入到ANSYS Workbench當中進行有限元分析計算。電機轉子在實際運行中會受到電磁力、永磁體與鐵心的吸引力以及由高速旋轉產生的離心力共同作用。通過計算分析表明，高速電機轉子所受的離心力遠大于徑向電磁力和永磁體的吸引力，因此為了節(jié)省計算的時間，在設置邊界條件時通常將其忽略。

在內置式轉子強度分析中作如下假設。

（1）忽略電機運行時溫度變化對應力計算產生的影響。

（2）僅考慮轉子穩(wěn)態(tài)運行時的應力分布狀態(tài)。

（3）忽略轉子振動對應力計算的影響。

（4）忽略電磁力對應力計算的影響。

進行設置的仿真條件如下。

（1）將轉子鐵心內圓柱表面設置為圓柱支撐面約束，轉子在切向上自由，而在法向和軸向上被固定。

（2）對整體轉子模型施加離心力，轉速設置為30000r/min，旋轉軸設置為與轉子轉軸重合。

（3）在轉子旋轉過程中，永磁體與極靴部分會發(fā)生較大形變，將硅鋼片與靠近轉子外側的永磁體上表面設置為綁定接觸。

2.2 內置式轉子強度分析

首先，對永磁體不分段的情況進行了計算，結果如圖2所示。從計算結果可以看出，轉子的最大受力點出現(xiàn)在隔磁橋部分為906.98MPa，超出了轉子鐵心材料的應力許用范圍，該結構不滿足電機的使用條件。

采用永磁體分段結構，并在分段永磁體中間增加加強筋，加強筋的厚度設計為1mm，在分段過程中應始終保持永磁體的總長度不變，分析不同加強筋數(shù)量對轉子應力大小的影響規(guī)律。

如圖3所示，從計算結果中可以看出，增加加強筋結構能夠有效降低轉子所受的最大應力。如表2當加強筋數(shù)量為1根時，轉子最大應力從無加強筋結構的906.98MPa下降到443.55MPa，應力幅值減小了51.09%;加強筋的個數(shù)從1根增加到2根時，應力幅值減小了35.29%;加強筋的個數(shù)從2根增加到3根時，應力幅值減小了26.22%。

從轉子最大應力的下降幅度來看，與無加強筋轉子結構相比，增加一根加強筋的轉子結構能夠大幅度的增強轉子的機械性能，使轉子強度滿足于電機機械性能的要求。當繼續(xù)增加加強筋個數(shù)時，轉子的最大應力值也會不斷減小，但是減小程度逐漸減弱。因此，當加強筋數(shù)量增加到一定程度后，僅單純增加加強筋根數(shù)難以有效減小轉子的最大應力。同時，永磁體分段也會對電機的電磁性能造成影響，隨著加強筋個數(shù)的增加，轉子部分的漏磁增大，不利于提高電機電磁性能。

3? 結語

（1）從理論上分析了“一”字型內置式轉子所受最大應力點將出現(xiàn)在隔磁橋部位，并用有限元軟件進行驗證。

（2）采用了永磁體分段、增加加強筋的轉子結構，并對不同加強筋數(shù)量的轉子利用有限元軟件進行了強度分析。結果表明，隨著加強筋數(shù)量的增加，轉子受力逐漸減小，但減小的幅度逐漸縮減。

參考文獻

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