不同保护型式下的高速表贴式永磁转子应力与温升分析
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心、沈阳工业大学机械工程学院的研究人员张超、陈丽香、于慎波、孙宁、王晓宇，在2019年第9期《电工技术学报》上撰文，针对高速表贴式永磁转子的不同保护型式，建立了三层配合下的表贴式永磁转子应力解析计算模型，基于该解析计算模型对钛合金护套和碳纤维护套保护下的永磁转子进行设计，并通过有限元法对解析计算模型的正确性进行验证。
研究了不同护套材料、过盈量、极间填充材料、温度等因素对护套等效应力的影响规律。建立了高速表贴式永磁转子涡流损耗与温升的计算模型，研究了不同护套保护措施、不同填充材料下，永磁转子涡流损耗分布与永磁体温升特性。在此基础上，完成了一台高速表贴式永磁电机的设计与制造，并进行了实验，结果证明了该文计算分析的正确性。
高速永磁电机体积小、功率密度高、效率高，广泛应用于航空航天、高性能伺服、分布式发电以及飞轮储能等领域。随着电机转速的升高、频率的增加，高速电机在机械、损耗、热特性等方面与常规中低速电机有明显不同，其综合设计方法也不同于常规转速电机。
高速永磁电机转子线速度的增加导致转子所承受的离心力增大，永磁体难以承受较大的拉应力，容易引起永磁体的损坏。通常，在高速表贴式永磁转子外加装屈服强度较高的护套，使永磁体承受的压应力或高速下永磁体所承受的拉应力在允许范围内，同时亦要保证护套的安全可靠。
文献[6-7]采用解析计算与有限元法分析了各向同性金属护套高速永磁转子的强度，为高速永磁转子的强度计算提供了有意义的参考。文献[8]基于简化的应力解析法计算了高速表贴式永磁转子碳纤维护套的应力分布，并分析了极弧系数小于1时弯曲应力对护套等效应力的影响，但简化解析模型计算误差较大。
文献[9-10]从高速永磁发电机的电磁性能出发，采用有限元法分析了不同护套材料对高速永磁发电机的损耗、输出电压、温度等特性的影响。文献[11]分析了不同护套材料应用于高速永磁转子中对转子机械强度的影响，从机械强度角度出发，总结了不同护套材料下永磁转子的设计规律，但其解析计算模型忽略了永磁体与转轴间的边界条件。
文献[12]采用多物理场耦合计算方法分析了不同护套材料下高速永磁转子强度、永磁体尺寸、转子动力学性能等特性，为高速永磁转子的优化设计提供了参考。文献[13]基于电磁有限元与三维流体场方法，针对一台60000r/min的高速永磁发电机，分析了合金护套高速永磁转子的损耗与温升分布，验证了高速永磁转子温升计算的有效性。
文献[14]建立了碳纤维护套保护下的应力解析计算模型，但未计及温度的影响因素。文献[15]采用有限元法分析了合金护套表面开槽对转子涡流损耗、永磁体温升、转子应力的影响，提出了合金护套下高速永磁转子涡流损耗的抑制措施。
本文建立了三层配合下的表贴式永磁转子应力解析计算模型，并基于该解析计算模型对额定功率15kW、转速30000r/min的电机护套进行了设计，通过有限元法对解析计算模型的正确性进行了验证。分析了碳纤维护套与钛合金护套保护下的转子应力分布特性以及极间填充材料、温度对转子应力的影响规律；建立了高速永磁转子涡流损耗与温升的计算模型，分析了不同护套材料、不同极间填充材料对转子涡流损耗与永磁体温升的影响。
在上述计算分析基础上，完成了一台高速表贴式永磁电机的设计与制造，并进行了实验测试，结果证明了本文计算分析的正确性。
图1 高速表贴式永磁转子结构
图18 高速电机样机结构
本文采用解析计算与有限元方法分析了不同护套材料、不同极间填充材料下高速永磁转子的应力分布、涡流损耗分布与永磁体温升，得出如下结论：
1）建立了三层配合下的高速表贴式永磁转子应力解析计算模型，并在解析计算模型中计及了温升的影响因素，通过有限元法验证了解析计算模型的正确性。
2）相同过盈量下，碳纤维护套与永磁体间的接触压力大于钛合金护套与永磁体间的接触压力，反之，在保证接触压力相等的情况下，碳纤维护套与永磁体间的过盈量小于钛合金护套与永磁体间的过盈量，碳纤维护套应力受温度的影响较大，在碳纤维护套设计中要注意校核其热态下的应力。
3）对于极弧系数小于1的永磁转子结构，受弯曲应力的影响，护套在极间的等效应力增加，对于高速永磁转子，极弧系数设计为1有利于护套等效应力的均匀分布，提高转子可靠性。
4）碳纤维护套保护下的永磁体温升高于钛合金护套。碳纤维护套保护下，PVC塑料填充材料的永磁体温升最低；钛合金护套保护下，PVC塑料、铝合金、不锈钢作为填充材料时，永磁体温升基本相等。