小型表貼式永磁電機不同護套性能差異仿真分析

孔思琪, 陳進華, 仇一鳴, 張 馳

小型表貼式永磁電機不同護套性能差異仿真分析

孔思琪1,2,3, 陳進華1*, 仇一鳴2, 張 馳1

（1.中國科學院 寧波材料技術與工程研究所, 浙江 寧波 315201; 2.寧波菲仕技術股份有限公司, 浙江 寧波 315800;3.寧波大學 機械工程與力學學院, 浙江 寧波 315211）

提出采用玻璃纖維取代碳纖維用于小型表貼式永磁電機護套的方案, 為此對一款實際生產中額定功率為11kW、額定轉速為6000r·min-1的小型表貼式永磁電機轉子的保護工藝進行了研究. 基于有限元法, 采用Ansys軟件分別對玻璃纖維無緯帶和碳纖維2種護套材料進行轉子結構強度和溫度場仿真. 結果表明, 碳纖維護套的保護效果優于玻璃纖維護套, 但玻璃纖維護套的散熱性好于碳纖維護套, 2種護套均能保證測試電機的結構安全. 基于以上結果并考慮材料成本和工藝難易程度, 認為采用玻璃纖維護套性價比更高.

表貼式永磁電機; 玻璃纖維無緯帶; 碳纖維

永磁電機具有體積小、重量輕、效率高、功率因數大、控制特性好等優點, 相比其他傳統電機, 兩者在結構上有很大差別, 永磁電機的應用范圍越來越廣. 磁鋼可以承受很大的壓力(>1000MPa), 但承受的拉力小于80MPa, 在離心力作用下磁鋼易碎裂, 因此需要在磁鋼外圍加裝一個保護套, 以抵消旋轉時產生的離心力[1]. 高強度的復合材料具有質量輕、渦流損耗小等特點[2]. 目前小型表貼式永磁電機在實際生產中通常采用碳纖維護套, 但碳纖維價格較高且工藝復雜.

當前對碳纖維護套的研究成果頗豐, 如文獻[3-6]針對表貼式永磁電機轉子強度設計開展了系列研究. 文獻[7]建立了轉子應力分析模型, 對比了4種不同護套材料對永磁體應力分布的影響. 文獻[8]分別采用解析法和有限元法分析了表貼式高速永磁電機的轉子強度, 針對碳纖維護套提出了通過在護套內層纏繞各向同性的玻璃纖維來降低護套彎曲應力. 文獻[9]建立了轉子等效應力解析模型, 基于理論分析得出滿足應力要求的最佳過盈量. 文獻[10-12]分別從碳纖維的厚度、過盈量以及溫度場等對轉子強度進行了研究. 文獻[13-14]介紹了玻璃纖維無緯帶的綁扎工藝, 對電機轉子用無緯帶綁扎的可靠性展開了研究, 通過理論公式分析了無緯帶本身的可靠性, 但未對永磁體進行強度分析. 文獻[15]研究表明, 車用內置式永磁電機轉子表面綁扎玻璃纖維無緯帶能提高轉子強度、減少繞組端部漏磁, 可有效改善電機的電氣性能、降低成本、簡化加工制造工藝. 但對玻璃纖維無緯帶用于永磁體保護套的研究鮮見報道.

本文提出使用玻璃纖維取代碳纖維用于小型表貼式永磁電機護套的設想. 由于目前市面上沒有用玻璃纖維無緯帶作為轉子保護套的表貼式永磁電機, 因此缺少碳纖維護套和玻璃纖維護套在轉子強度、永磁體保護、電機溫升等方面的比較. 為此, 對一款實際生產中額定功率為11kW、額定轉速為6000r·min-1的小型表貼式永磁電機轉子保護工藝進行了研究, 采用有限元法研究2種護套的性能差異, 以期為實際生產中降低小型表貼式永磁電機生產成本、獲得更高效益提供參考.

1 不同綁扎工藝的特點

表貼式永磁電機磁鋼一般都用高強度、耐高溫黏結劑黏附在轉子表面, 呈偏心瓦片狀提供徑向磁通[16], 黏結劑涂抹于轉軸表面, 本文不考慮涂層厚度對轉子強度的影響. 在安裝保護套時對磁鋼施加一定的靜態預壓力, 使其在轉子運轉時抵消部分離心力, 從而保證電機運行的可靠性. 不同材質保護套對電機的氣隙大小、散熱、渦流損耗以及轉子結構強度等會產生不同的影響, 進而影響電機的性能.

1.1 玻璃纖維無緯帶綁扎工藝

玻璃纖維無緯帶綁扎方法成本低、加工簡單、可靠性高、磁鋼不易飛脫, 缺點是在電機運行時高溫會使絲帶發熱膨脹, 可能會與定子發生摩擦.

玻璃纖維無緯帶綁扎固定是使被綁扎的機器以一定的速度將無緯帶緊箍在磁鋼外表面, 無緯帶接觸磁鋼面涂抹環氧樹脂, 綁扎結束后需要鎖緊尾端以防止張力損失. 隨后將表面綁好的玻璃纖維無緯帶轉子送入烤箱, 在150℃溫度下固化2 h或175℃溫度下固化1h, 綁扎固化后的電機轉子如圖1所示.

圖1 玻璃纖維無緯帶綁扎的電機轉子

玻璃纖維無緯帶的寬度為19.1mm, 推薦應用張力為2222.6N, 最高可以承受溫度為220℃.固化后玻璃纖維無緯帶參數為: 厚度0.29mm、寬度1.9mm、密度2760kg·m-3、彈性模量80GPa、泊松比0.22、熱膨脹系數48×10-5K-1、抗拉強度1400 MPa.

1.2 碳纖維綁扎工藝

碳纖維護套需要碳纖維在高溫下烘焙固化得到, 而永磁體在高溫下易發生退磁現象, 所以在工藝上采用先將碳纖維烘焙固化成型, 然后用液氮冷壓的方式與轉子進行裝配[17]. 本文所用電機過盈量為0.05mm, 完成冷壓裝配后的電機轉子如圖2所示, 碳纖維各項性能參數見表1.

圖2 碳纖維綁扎的電機轉子

表1 碳纖維性能參數

2 轉子強度理論分析

2.1 轉子結構參數

表貼式永磁電機轉子三維結構如圖3所示. 轉子鐵心內外半徑分別為ri=43.0mm,ro=52.5mm; 磁鋼內外半徑分別為mi=52.5mm,mo=56.1mm; 護套內外半徑分別為hi=56.1mm,ho=56.9mm.

圖3 分塊表貼式永磁電機轉子三維結構

2.2 碳纖維轉子強度理論分析

當電機在額定工作點運行時, 在離心力的作用下, 永磁體與碳纖維護套發生位移, 過盈量發生變化, 此時永磁體外表面的位移量為[18]:

碳纖維護套內表面的位移變化為[17]:

考慮到電機運行溫度會造成永磁體與碳纖維護套發生膨脹, 但因永磁體的熱膨脹系數極小, 因此因溫度變化產生的位移可忽略, 僅需考慮碳纖維護套因溫度變化產生的位移即可. 位移公式為:

電機在額定工況下運行時過盈量和壓力為:

式中:為額定運行工況下的過盈量;為額定運行工況下永磁體受到的壓力.

由文獻[18]可得, 永磁體和碳纖維護套所受的徑向應力和切向應力為:

2.3 玻璃纖維轉子強度理論分析

使用玻璃纖維無緯帶對轉子進行綁扎時, 設對綁帶施加力為, 則匝時切向總拉力玻璃纖維對永磁體的徑向壓力為:

其對永磁體產生的壓強為:

旋轉所產生的離心力對永磁體的壓強為[18]:

永磁體的徑向與切向裝配應力為:

3 有限元驗證

在額定工作點6000r·min-1(線速度35.2m·s-1)時, 采用Ansys軟件對所測電機進行結構和溫度仿真, 并在最大溫度為100℃時進行結構強度測試. 根據電機的實際結構、損耗以及傳熱情況給出相應的邊界條件為: (1)電機轉子部分設置旋轉速度為6000r·min-1, 模擬實際電機的旋轉. (2)忽略磁鋼黏結劑的影響, 將磁鋼與轉子接觸設定為綁定; 磁鋼與碳纖維護套為過盈設置, 過盈量為0.05mm; 磁鋼與玻璃纖維護套設置為粗糙, 玻璃纖維纏繞張力為2222.6N. (3)在最大工作溫度下進行結構仿真時, 電機的定子、轉子、繞組和永磁體加載相應溫度, 作為相應熱源. (4)溫度仿真采用熱密度加載方法, 將計算得出的各部分損耗導入電機作為相應的熱源, 計算電機各部分的溫升.

3.1 工作點永磁體應力分析

分別對碳纖維轉子和玻璃纖維轉子進行有限元應力計算, 結果如圖4所示. 從圖4可見, 碳纖維護套對永磁體的保護更好, 在工作點碳纖維護套下永磁體的最大拉應力略小于玻璃纖維護套, 但兩者都遠小于極限拉伸強度. 在工作點碳纖維和玻璃纖維護套都可以保證電機的運行強度.

圖4 2種護套在6000r·min-1時永磁體最大拉應力

3.2 最大工作溫度時永磁體應力分析

從圖5可知, 在最大工作溫度時碳纖維護套依舊可較好保護永磁體的結構強度, 而玻璃纖維護套已接近拉伸極限, 但仍在保護范圍內.

圖5 2種護套在6 000 r·min-1和100℃時永磁體最大拉應力

從圖6和圖7可見, 2種護套在6000 r·min-1工況下, 永磁體切向、徑向和最大拉應力與溫度近乎線性關系. 相同工況下, 在碳纖維護套保護下永磁體切向、徑向和最大拉應力均比玻璃纖維護套保護下小, 表明碳纖維護套的保護更可靠. 但實驗結果表明, 2種護套都能保證永磁體不被破壞.

圖6 2種護套永磁體最大拉應力隨溫度的變化

圖7 2種護套永磁體的應力分布

3.3 護套的強度驗證

從圖8和圖9可知, 碳纖維護套的最大拉應力隨溫度變化較劇烈, 而玻璃纖維護套相對平和, 兩者都隨溫度呈線性變化. 碳纖維護套的抗拉伸強度為2400MPa, 遠大于極限工況下所受的拉應力, 玻璃纖維護套為1400MPa, 在最大溫度點時接近最大抗拉極限, 但可保證永磁體結構強度.

圖8 2種護套在6000r·min-1和100℃時最大拉應力

圖9 2種護套在6000r·min-1時最大拉應力隨溫度的變化

3.4 不同護套散熱差異

不同護套材料對電機的散熱性能產生不同影響. 從2種護套電機溫度場仿真結果(圖10和圖11)可知, 更換玻璃纖維護套后電機散熱性能略有提升. 測試電機使用永磁體的最高退磁溫度為120℃,更換護套產生的溫度場變化對性能無影響.

圖10 碳纖維護套工作點時定子和永磁體的溫度(單位:℃)

圖11 玻璃纖維護套工作點時定子和永磁體的溫度(單位:℃)

從圖12可見, 永磁體的溫度隨電機轉速的增大而上升, 且在玻璃纖維護套下永磁體的溫升比碳纖維護套小, 但差距不大, 這可為其他類型的電機提供參考.

圖12 2種護套下永磁體溫度隨轉速的變化

4 結論

(1)對碳纖維護套和玻璃纖維護套電機的2個工作點和最大工作溫度進行了結構仿真, 碳纖維護套對永磁體的保護均優于玻璃纖維, 但玻璃纖維護套足夠保證所測電機的結構安全.

(2)本文中電機使用玻璃纖維護套測試時僅纏繞1層, 其對永磁體的保護略差于碳纖維, 在實際生產中, 可纏繞2層以獲得更可靠的保護, 并增強玻璃纖維護套本身的強度.

(3)玻璃纖維護套的散熱性能略好于碳纖維護套, 這可為其他電機的散熱提供參考.

(4)在實際生產中, 碳纖維護套的性能溢出, 因此選擇結構強度足夠、成本較低、加工簡單的玻璃纖維護套能獲得更好的效益.

[1] 鐘志賢, 廖家蒙. 永磁電機轉子中永磁體與護套的過盈量分析[J]. 裝備制造技術, 2016(5):5-7.

[2] 張超, 朱建國, 佟文明, 等. 高速內置式永磁轉子強度分析與設計[J]. 電機與控制學報, 2017, 21(12):43-50.

[3] 張鳳閣, 杜光輝, 王天煜, 等. 高速電機發展與設計綜述[J]. 電工技術學報, 2016, 31(7):1-18.

[4] Fang H Y, Qu R H, Li J, et al. Rotor design for high-speed high-power permanent-magnet synchronous machines[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, 53(4):3411-3419.

[5] 李鴻梅, 張洪信, 趙清海, 等. 表貼式永磁同步電機永磁體護套動力特性研究[J]. 青島大學學報(工程技術版), 2020, 35(4):17-22.

[6] Yang L, Zhu Z Q, Shuang B, et al. Adaptive threshold correction strategy for sensorless high-speed brushless DC drives considering zero-crossing-point deviation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(7): 5246-5257.

[7] Ahn J H, Han C, Kim C W, et al. Rotor design of high-speed permanent magnet synchronous motors considering rotor magnet and sleeve materials[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, 28(3): 1-4.

[8] 張鳳閣, 杜光輝, 王天煜, 等. 高速永磁電機轉子不同保護措施的強度分析[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(S1):195-202.

[9] Xu H, Geng H P, Lin H, et al. Rotor design and analysis of a high speed permanent magnet synchronous motor for cryogenic centrifugal pump[C]//2019 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA). Tianjin, China. 2019:1756-1760.

[10] 吳震宇, 曲榮海, 李健, 等. 表貼式高速永磁電機多場耦合轉子設計[J]. 電機與控制學報, 2016, 20(2):98- 103; 111.

[11] 劉威, 陳進華, 崔志琴, 等. 高速永磁電機碳纖維護套轉子綜合特性研究[J]. 微特電機, 2017, 45(12):1-4; 13.

[12] 李振平, 占彥. 高速永磁同步電機的轉子結構強度分析研究[J]. 機電工程, 2016, 33(7):900-903.

[13] 郝清亮, 朱少林, 楊德望. 中小型表面式永磁電機的制造工藝[J]. 電機與控制應用, 2010, 37(12):63-65.

[14] 楊青. 電機繞線轉子鐵心表面無緯帶的綁扎[J]. 電機與控制應用, 2011, 38(10):47-50.

[15] 王曉遠, 高鵬, 趙玉雙. 電動汽車用高功率密度電機關鍵技術[J]. 電工技術學報, 2015, 30(6):53-59.

[16] 鮑曉華, 劉佶煒, 孫躍, 等. 低速大轉矩永磁直驅電機研究綜述與展望[J]. 電工技術學報, 2019, 34(6):1148- 1160.

[17] 萬援, 崔淑梅, 吳紹朋, 等. 扁平大功率高速永磁同步電機的護套設計及其強度優化[J]. 電工技術學報, 2018, 33(1):55-63.

[18] 楊振中, 許欣, 段宗玉, 等. 表貼式永磁電機碳纖維護套轉子強度及過盈量分析[J]. 電機與控制應用, 2019, 46(10):6-13.

Simulation analysis on performance difference of two types of sheaths for small surface-mounted permanent magnet motor

KONG Siqi1,2,3, CHEN Jinhua1*, QIU Yiming2, ZHANG Chi1

( 1.Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China;2.Ningbo Feishi Technology Co., Ltd., Ningbo 315800, China; 3.Faculty of Mechanical Engineering & Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

Aiming at using glass fiber to replace carbon fiber for the small surface-mounted permanent magnet motor, this paper takes a practical small surface-mounted permanent magnet motor, with a rated power of 11 kW and a rated speed of 6 000 r·min-1, as an example to study the rotor protection process. Based on the finite element method, the strength and temperature field of the rotor structure with both glass fiber weftless tape and carbon fiber sheath materials are simulated by Ansys. The simulation results show that the protection effect of carbon fiber sheath is better than that of glass fiber sheath, and the heat dissipation of glass fiber sheath is better than that of carbon fiber sheath. Both types of sheath can ensure the structural safety of the tested motor. Considering the above results as well as the differences in material cost and process difficulty, it is concluded that the glass fiber sheath has better cost performance in that it can reduce material cost and simplify production process.

surface-mounted permanent magnet motor; glass fiber weftless tape; carbon fibre

2021?07?06.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金青年基金（51807194）; 寧波市“科技創新2025”重大專項（2019B10077）; 寧波市自然科學基金（2019A610115）.

孔思琪（1997－）, 男, 浙江杭州人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 高速電機設計. E-mail: 1243202951@qq.com

通信作者:陳進華（1985－）, 男, 江西進賢人, 博士/正高級工程師, 主要研究方向: 永磁電機設計及控制. E-mail: chenjinhua@nimte.ac.cn

TM341

A

1001-5132（2022）04-0040-06

（責任編輯 史小麗）