高速永磁电机转子结构与强度分析

2019-01-25

防爆电机 2019年1期

(中国石油吉林石化分公司乙烯厂，吉林吉林 132000)

0 引言

高速永磁电机具有功率密度高、可靠、运行成本低等优点，在石化工领域应用非常广泛，然而由于电机转子要承受很大的离心力和较大热应力，因此转子的设计非常关键。本文根据此情况提出了转子离心力、电机散热面积、功率密度大所带来的热应力的分析与计算，这对转子结构与强度非常重要。

1 转子支撑技术

转子支撑技术关键是轴承技术的研究，只有达到长期稳定运行，才能够在高速永磁电机上进行实际应用，目前主要有两大类，第一类是高速滚珠轴承，第二类是磁悬浮和空气轴承。

图1为高速滚珠轴承，成本低、体积小，技术成熟，这是应用最为广泛的轴承，其高速运行的主要性能指标DN值，由轴承内径D(mm)与转速N(r/min)的乘积表示，普通DN值在50万以下，高速DN值在100万以上[1]。

图1 滚珠轴承

图2为空气轴承，利用的是轴承与轴颈间的高巧流体膜支撑转子，分为动力学和静力学两种，优点是不必利用磁场即可工作。这样在电磁环境要求高的工作环境中，空气轴承显示出很大优点，缺点是空气轴承间隙小，加工精度要求高。图3为磁悬浮轴承，分为主动和被动两种磁悬浮轴承，主动磁悬浮轴承优点无需润滑油，能够实现无接触，而且维护成本低，缺点是刚度较低，技术尚未成熟，应用范围受到局限制。

图2 空气轴承

图3 磁悬浮轴承

2 转子强度分析

高速电机转子设计原则有两点，其一是在高转速条件下，各部件要承受很大的离心力，保证部件不分离、不破坏。其二是高的温升条件下，部件不会因膨胀导致出现不平衡和结构损坏现象，同时永磁体功能上不出现退磁现象，因此还必须有较小的转子损耗。

2.1 转子结构及材料

从上世纪80年代开始研究高速永磁电机，转子结构大致分为两类，有内置式和表贴式两种，如图4所示。

图4 转子结构

高速永磁电机的等效气隙相对较大，为了满足磁通要求，需要选取具有较高矫顽力的永磁材料，常用的有钕铁硼和钐钴，钐钴相对具有小的温度系数和高的工作温度，因此在工作环境温度较高、散热困难场合的航空发动机有应用优势，但是两种都是脆性材料，具有较高抗压强度，抗拉强度很低，因此需要采取结构上的保护。

护套材料通常有复合材料和特种合金两种，也可采用硅钢片作为保护材料，硅钢片作为保护材料只适用于转速低的场合。复合材料包括碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉纤维等高强度复合材料，可以保证足够的抗拉强度，但是由于是不导磁，增加了等效气隙和磁路长度，需要在结构上设计，使得永磁铁利用率提高，可以增加加强筋，则可以达到增加分担离心力作用，又可以减少护套厚度，进而减少气隙长度。

特种合金材料作为护套，即可以达到保护目的，同时由于是合金，具有屏蔽涡流作用，因此护套的涡流损耗可以不考虑，对于永磁铁的涡流损耗要进行结构调整。

2.2 表贴式转子强度分析

目前，表贴式常用护套有碳纤维和钛合金护套两种，第一种是将永磁铁用碳纤维进行绑扎，第二种是永磁铁过盈套入钛合金保护套。第一种加工工艺相对困难，稳定性很难做到。

转子结构出现问题有两种，包括失效和松脱。失效包括屈服和断裂两种，针对材料属性，进行不同的应力分析，这样才能保证转子的安全工作。

强度分析有两种方法，其一是解析法，其二是有限元法。这里介绍解析法，此法采用弹性力学进行计算，将轴向长度设为无限长，忽略轴向应变，将转子结构简化，结构为护套、永磁铁和转子轭三层同心圆，见图5。

图5 转子结构示意图

由图5可知，半径R处的拉应力δt为

(1)

因此，δt最大值δtmax为

(2)

由图5可知，永磁铁对于护套的压应力P为

(3)

由P引起的护套内部拉应力δm

(4)

护套内的热应力包括永磁铁、转子和护套，前两种忽略不计，因此热应力δ△T为

σ△T=Eε△T=Eα△T

(5)

因此在三重应力作用下，应变ε

(6)

为了满足结构力学要求，需要满足以下几点[2]。

(1)过盈量δ应至少为εR1，才能保证超速下不飞脱。

(2)σtmax+σm+σ△T不超过护套的安全许用应力。

(3)护套应力设定合适的安全系数。

2.3 内置式转子强度分析

这种结构也包括解析法和有限元法两种，这里介绍有限元法，采用的是Ansys workbench软件进行计算，永磁体为脆性材料，抗压不抗拉，因此靠近转轴的面与转子铁心不接触，远离转轴的面和保护桥的接触，约束类型设定为固定接触，需要设定转子铁心和永磁体参数，包括密度值、泊松比和杨氏模量，转速为36000r/min模拟结果，如图6所示。