高速表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析

趙亮

摘? 要：高速永磁電機(jī)表貼式轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子部分會(huì)受到巨大的離心力而導(dǎo)致?lián)p壞。為了保證電機(jī)能夠安全運(yùn)行，通常在表貼式轉(zhuǎn)子的外側(cè)施加一層合金護(hù)套，并通過護(hù)套與永磁體之間的過盈配合對(duì)永磁體施加預(yù)緊力，確保永磁體在高速運(yùn)行時(shí)仍與轉(zhuǎn)子間存在接觸應(yīng)力。針對(duì)護(hù)套與永磁體間過盈量大小的選取問題，通過ANSYS Workbench計(jì)算探究了在不同過盈量配合的情況下永磁體與護(hù)套受力的變化規(guī)律，并根據(jù)分析結(jié)果確定了護(hù)套的最佳設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：表貼式永磁電機(jī)? 強(qiáng)度分析? 合金護(hù)套? 有限元分析

中圖分類號(hào)：TM355? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）05（b）-0066-04

Abstract： When the surface-mounted rotor of a high-speed permanent magnet motor runs at high speed， the rotor will be damaged by huge centrifugal force. In order to ensure the safe operation of the motor， an alloy sleeve is applied to the surface mount rotor， and the permanent magnet is pre-tightened through the interference fit between the sleeve and the permanent magnet to ensure that the permanent magnet runs at high speed there is still contact stress with the rotor. Aiming at the problem of selecting the magnitude of the interference fit between the sleeve and the permanent magnet， the ANSYS Workbench were used to explore the changing law of the force of the permanent magnet and the sleeve under different interference fits， according to the analysis results， the best design scheme of the sheath was determined.

Key Words： Surface mounted permanent magnet motor; Strength analysis; Alloy sleeve; Finite element analysis

高速永磁電機(jī)具有功率密度高、體積小、效率高的優(yōu)異性能，在航空航天領(lǐng)域、高性能伺服領(lǐng)域、分布式發(fā)電及飛輪儲(chǔ)能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。永磁電機(jī)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在自身的缺陷，由于永磁材料具有不能夠承受較大拉應(yīng)力的特性，在高速表貼式轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中滿足電機(jī)機(jī)械性能的要求至關(guān)重要。當(dāng)電機(jī)處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)受到巨大的離心力作用而導(dǎo)致貼附于轉(zhuǎn)子表面的永磁體損壞。為了保證電機(jī)能夠在高速的狀態(tài)下安全運(yùn)行，通常在永磁體外側(cè)安裝一層合金護(hù)套或碳纖維護(hù)套，通過護(hù)套與永磁體之間的過盈配合對(duì)永磁體施加預(yù)緊力，確保永磁體在電機(jī)運(yùn)行的過程中始終與轉(zhuǎn)子間存在接觸壓力[2]。

轉(zhuǎn)子護(hù)套過盈量的選取對(duì)電機(jī)的機(jī)械性存在很大的影響。當(dāng)護(hù)套過盈量取值過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致裝配困難、護(hù)套所受應(yīng)力過大等問題;當(dāng)過盈量取值較小時(shí)在離心力的作用下護(hù)套會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象，失去了其對(duì)永磁體保護(hù)的意義。因此，對(duì)于表貼式高速永磁電機(jī)，其護(hù)套過盈量的選取至關(guān)重要。對(duì)比國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行的相關(guān)研究，陳亮亮等人[3]推導(dǎo)了高速熱態(tài)永磁轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度解析解，并采用有限元法分析了1臺(tái)表貼式高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度;吳震宇等人[4]采用有限元法基于多物理場(chǎng)耦合優(yōu)化轉(zhuǎn)子設(shè);劉威等人[5]綜合分析了采用碳纖維護(hù)套時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子的應(yīng)力變化規(guī)律;楊振中等人[6]對(duì)采用碳纖維護(hù)套的表貼式永磁電機(jī)進(jìn)行了轉(zhuǎn)子強(qiáng)度及護(hù)套過盈量分析;劉銳等人[7]對(duì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的過盈量配合進(jìn)行了仿真分析研究。該文利用ANSYS有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)子護(hù)套不同過盈量情況下的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，得出護(hù)套過盈量對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1? 表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及參數(shù)

該文所研究的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、永磁體、合金護(hù)套這3個(gè)部分組成，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模型見圖1。選取永磁轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)參數(shù)：護(hù)套外徑56 mm;永磁體外徑52 mm;永磁體內(nèi)徑42 mm;轉(zhuǎn)軸外徑42 mm。

轉(zhuǎn)子各部件材料屬性的不同顯著影響高速表貼式永磁轉(zhuǎn)子機(jī)械性能，轉(zhuǎn)子各部分的材料屬性及具體參數(shù)如表1所示。

2? 基于有限元計(jì)算的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析

2.1 有限元模型的建立與前處理

該文有限元分析的目的是研究轉(zhuǎn)子護(hù)套和永磁體在不同過盈條件下的應(yīng)力，因此模型只取出電機(jī)中轉(zhuǎn)子護(hù)套、永磁體以及轉(zhuǎn)軸進(jìn)行分析。

轉(zhuǎn)子所有尺寸確定的情況下，用過ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)采取不同過盈量配合時(shí)護(hù)套與永磁體的受力狀態(tài)進(jìn)行分析。在前處理過程中，將永磁體與護(hù)套間設(shè)置為非線性接觸，摩擦系數(shù)取0.2，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，過盈量設(shè)置為0.06～0.20 mm，步長(zhǎng)為0.02 mm。

2.2 表貼式轉(zhuǎn)子強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

取不同過盈量配合時(shí)永磁體與護(hù)套的受力情況，見表2。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著護(hù)套與永磁體間靜態(tài)過盈量的增加，護(hù)套所受的等效應(yīng)力也隨之增大;永磁體所受的徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力始終為壓應(yīng)力，其大小也隨著過盈量的增大而逐漸增大。

轉(zhuǎn)子護(hù)套的屈服強(qiáng)度為800 MPa，永磁體的屈服強(qiáng)度為80 MPa。在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子所受的應(yīng)力通常需要留有裕量，安全系數(shù)一般為1.3，即護(hù)套所受的最大應(yīng)力不能超過615.39 MPa。永磁體所受的最大應(yīng)力不能超過61.54 MPa。

根據(jù)分析結(jié)果可以得出，雖然永磁體與護(hù)套所受的應(yīng)力隨過盈量的增加呈線性遞增變化，但是護(hù)套應(yīng)力的變化速度遠(yuǎn)大于永磁體受力的變化速度。當(dāng)過盈量的取值從0.06～0.20 mm時(shí)，永磁體的等效應(yīng)力從19.24 MPa增加到69.40 MPa;護(hù)套的等效應(yīng)力從262.84 MPa增加到874.74 MPa;當(dāng)過盈量取值為0.14 mm時(shí)，護(hù)套所受的最大應(yīng)力值已達(dá)到最大安全值;當(dāng)過盈量取值為0.16 mm時(shí)，永磁體的最大應(yīng)力值接近其能承受的最大安全值。在過盈量的取值變化過程中，永磁體的徑向應(yīng)力始終為壓應(yīng)力。

在選取過盈量時(shí)，既要考慮護(hù)套和永磁體所承受的最大等效應(yīng)力的大小，也要兼顧永磁體所受徑向應(yīng)力的大小。同時(shí)，電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中的轉(zhuǎn)速有可能超出額定轉(zhuǎn)速，因此在選擇過盈量時(shí)應(yīng)在滿足安全系數(shù)的基礎(chǔ)上留有余量。通過計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，該電機(jī)永磁體與護(hù)套之間的最佳過盈配合為0.12 mm，此時(shí)永磁體與護(hù)套的應(yīng)力分布具體見圖2。

3? 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)轉(zhuǎn)子在不同過盈量下受力狀態(tài)的分析得出了轉(zhuǎn)子護(hù)套等效應(yīng)力、永磁體等效應(yīng)力以及永磁體徑向應(yīng)力隨過盈配合改變的變化規(guī)律。綜合考慮永磁體與護(hù)套的受力狀態(tài)和電機(jī)運(yùn)行中可能超出額定轉(zhuǎn)速的實(shí)際情況，從計(jì)算結(jié)果中可以得出0.12 mm為最佳過盈量選取值。

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