高速永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與強度分析

(中國石油吉林石化分公司乙烯廠，吉林吉林 132000)

0 引言

高速永磁電機具有功率密度高、可靠、運行成本低等優(yōu)點，在石化工領域應用非常廣泛，然而由于電機轉(zhuǎn)子要承受很大的離心力和較大熱應力，因此轉(zhuǎn)子的設計非常關鍵。本文根據(jù)此情況提出了轉(zhuǎn)子離心力、電機散熱面積、功率密度大所帶來的熱應力的分析與計算，這對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與強度非常重要。

1 轉(zhuǎn)子支撐技術

轉(zhuǎn)子支撐技術關鍵是軸承技術的研究，只有達到長期穩(wěn)定運行，才能夠在高速永磁電機上進行實際應用，目前主要有兩大類，第一類是高速滾珠軸承，第二類是磁懸浮和空氣軸承。

圖1為高速滾珠軸承，成本低、體積小，技術成熟，這是應用最為廣泛的軸承，其高速運行的主要性能指標DN值，由軸承內(nèi)徑D(mm)與轉(zhuǎn)速N(r/min)的乘積表示，普通DN值在50萬以下，高速DN值在100萬以上[1]。

圖1 滾珠軸承

圖2為空氣軸承，利用的是軸承與軸頸間的高巧流體膜支撐轉(zhuǎn)子，分為動力學和靜力學兩種，優(yōu)點是不必利用磁場即可工作。這樣在電磁環(huán)境要求高的工作環(huán)境中，空氣軸承顯示出很大優(yōu)點，缺點是空氣軸承間隙小，加工精度要求高。圖3為磁懸浮軸承，分為主動和被動兩種磁懸浮軸承，主動磁懸浮軸承優(yōu)點無需潤滑油，能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸，而且維護成本低，缺點是剛度較低，技術尚未成熟，應用范圍受到局限制。

圖2 空氣軸承

圖3 磁懸浮軸承

2 轉(zhuǎn)子強度分析

高速電機轉(zhuǎn)子設計原則有兩點，其一是在高轉(zhuǎn)速條件下，各部件要承受很大的離心力，保證部件不分離、不破壞。其二是高的溫升條件下，部件不會因膨脹導致出現(xiàn)不平衡和結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象，同時永磁體功能上不出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，因此還必須有較小的轉(zhuǎn)子損耗。

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及材料

從上世紀80年代開始研究高速永磁電機，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大致分為兩類，有內(nèi)置式和表貼式兩種，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

高速永磁電機的等效氣隙相對較大，為了滿足磁通要求，需要選取具有較高矯頑力的永磁材料，常用的有釹鐵硼和釤鈷，釤鈷相對具有小的溫度系數(shù)和高的工作溫度，因此在工作環(huán)境溫度較高、散熱困難場合的航空發(fā)動機有應用優(yōu)勢，但是兩種都是脆性材料，具有較高抗壓強度，抗拉強度很低，因此需要采取結(jié)構(gòu)上的保護。

護套材料通常有復合材料和特種合金兩種，也可采用硅鋼片作為保護材料，硅鋼片作為保護材料只適用于轉(zhuǎn)速低的場合。復合材料包括碳纖維、玻璃纖維和凱夫拉纖維等高強度復合材料，可以保證足夠的抗拉強度，但是由于是不導磁，增加了等效氣隙和磁路長度，需要在結(jié)構(gòu)上設計，使得永磁鐵利用率提高，可以增加加強筋，則可以達到增加分擔離心力作用，又可以減少護套厚度，進而減少氣隙長度。

特種合金材料作為護套，即可以達到保護目的，同時由于是合金，具有屏蔽渦流作用，因此護套的渦流損耗可以不考慮，對于永磁鐵的渦流損耗要進行結(jié)構(gòu)調(diào)整。

2.2 表貼式轉(zhuǎn)子強度分析

目前，表貼式常用護套有碳纖維和鈦合金護套兩種，第一種是將永磁鐵用碳纖維進行綁扎，第二種是永磁鐵過盈套入鈦合金保護套。第一種加工工藝相對困難，穩(wěn)定性很難做到。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題有兩種，包括失效和松脫。失效包括屈服和斷裂兩種，針對材料屬性，進行不同的應力分析，這樣才能保證轉(zhuǎn)子的安全工作。

強度分析有兩種方法，其一是解析法，其二是有限元法。這里介紹解析法，此法采用彈性力學進行計算，將軸向長度設為無限長，忽略軸向應變，將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡化，結(jié)構(gòu)為護套、永磁鐵和轉(zhuǎn)子軛三層同心圓，見圖5。

圖5 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

由圖5可知，半徑R處的拉應力δt為

(1)

因此，δt最大值δtmax為

(2)

由圖5可知，永磁鐵對于護套的壓應力P為

(3)

由P引起的護套內(nèi)部拉應力δm

(4)

護套內(nèi)的熱應力包括永磁鐵、轉(zhuǎn)子和護套，前兩種忽略不計，因此熱應力δ△T為

σ△T=Eε△T=Eα△T

(5)

因此在三重應力作用下，應變ε

(6)

為了滿足結(jié)構(gòu)力學要求，需要滿足以下幾點[2]。

(1)過盈量δ應至少為εR1，才能保證超速下不飛脫。

(2)σtmax+σm+σ△T不超過護套的安全許用應力。

(3)護套應力設定合適的安全系數(shù)。

2.3 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子強度分析

這種結(jié)構(gòu)也包括解析法和有限元法兩種，這里介紹有限元法，采用的是Ansys workbench軟件進行計算，永磁體為脆性材料，抗壓不抗拉，因此靠近轉(zhuǎn)軸的面與轉(zhuǎn)子鐵心不接觸，遠離轉(zhuǎn)軸的面和保護橋的接觸，約束類型設定為固定接觸，需要設定轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體參數(shù)，包括密度值、泊松比和楊氏模量，轉(zhuǎn)速為36000r/min模擬結(jié)果，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應力分布

根據(jù)文獻[2]研究解析式法和有限元法比較的結(jié)果顯示，兩種計算方法相對誤差在3%以內(nèi)，解析法計算結(jié)果較小，這是由于忽略了槽的倒角等條件引起誤差，且計算結(jié)果與實際結(jié)果相符。

3 結(jié)語

本文分析了高速永磁電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、材料和性能之間的關系，并對轉(zhuǎn)子的強度計算進行詳細介紹，但是高速電機轉(zhuǎn)子在國內(nèi)研究較少，需要科研工作者在電機應用中進一步研究與優(yōu)化。