高速永磁同步电机转子结构对多物理场的影响研究
发布时间：2021-08-05 05:20
高速永磁同步电机具有功率密度高、效率高、动态响应快等优点,因此被广泛应用于高速磨床、飞轮储能系统、高速离心压缩机等领域。然而,高速永磁同步电机的超高转速使得高速永磁电机的设计与分析具有一些新的特点,如高速永磁电机频率高,时间和空间谐波远大于常规永磁电机,导致转子表面涡流损耗较大。另外,高速永磁电机的高转速也导致转子冷却散热条件较差,综合考虑,高速永磁电机的转子温升较高,极易造成永磁体高温失磁,因此转子涡流损耗的精确计算及转子温度场的准确分析对高速永磁电机的设计具有重要的意义。其次,转子高速旋转,转子表面受到的离心力较大,常规的永磁体护套方案不能满足永磁转子的安全稳定运行,甚至可能会发生永磁体断裂和护套形变过大等故障,因此亟需对高速永磁电机的转子护套结构方案开展深入的研究,以确保转子及永磁体安全稳定运行。此外,高速永磁电机运行频率较宽,从启动到稳定运行需要穿越较大的频带,在此过程中,高速永磁电机极易发生共振,如果不能快速穿越共振频域,极易造成转子体共振形变,诱发电机转子扫镗故障,因此开展高速永磁电机全频域转子动力学分析,为高速永磁电机的启动和运行控制提供数据支撑。针对上述问题,本文重点开...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２三种不同的转子拓扑结构示意图［３２］??
国内学者关于高速电机转子的应力分布与模态分析方面也做了大量工作。万??援等学者对碳纤维护套下，磁极间隔分别采用铝合金、钛合金、不锈钢以及环氧??树脂等材料下电机转子各部件的冷态，热态应力变化进行了分析［４５］。图１－３为采??用铝合金磁极间隔时冷态与热态下碳纤维护套的周向、径向应力变化，从图中可??以看出，随着温度的升高，碳纤维护套上的应力大幅度增加。??应力／ＭＰａ?应力／ＭＰａ??ｒＨｌ?＾０４??－１?ｉ：１??Ｂｉ?＂?Ｂ：ｉ??（ａ）冷态护套周向应力?（ｂ）冷态护套径向应力??ｆ?应力／ＭＰａ?＾?应力／ＭＰａ??Ｐ??－?７０５?１－４９??ｉｔｎ?ｍ??■?６７０?■?－７４??（ｃ）热态护套周向应力?（ｂ）热态护套径向应力??图１－３铝合金磁极间隔时冷态与热态下碳纤维护套应力变化［４５］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｔｒｅｓｓ?ｃｈａｎｇｅ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ?ｓｌｅｅｖｅ?ｕｎｄｅｒ?ｃｏｌｄ?ａｎｄ?ｈｏｔ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ?ｗｉｔｈ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ａｌｌｏｙ?ｐｏｌｅ??ｉｎｔｅｒｖａｌ?［４５］??程文杰等学者采用二维平面应力等效方式，通过数值解析方法对电机的应力??场进行求解，并通过有限元法验证了解析公式的正确性［４＼张凤阁等学者基于多??物理场耦合计算，从电机护套采用碳纤维，不同的合金钢材料时电机的应力场、??６??
的临界转速［５Ｑ】。杜光辉等学者对一台挠性转子结构的动力学特性进行了求解与分??析，主要考虑了电机的叶轮作用，轴承刚度以及转子结构的部件尺寸等因素对临??界转速的影响，最后进行了实验验证。图１＿４为高速电机转子有无叶轮结构下转子??结构的一阶与二阶模态振型［５１］。张超、张涛等学者基于厚壁圆筒理论、等效圆环??法等理论公式推导了电机转子的应力场解析计算方法，并通过有限元法进行了对??比验证［５２—５３】。??（ａ）无叶轮转子一阶模态振型?（ｂ）无叶轮转子二阶模态振型??（ｃ）无叶轮转子一阶模态振型?（ｄ）无叶轮转子二阶模态振型??图１－４有无叶轮转子结构的模态振型ｔ５１］??Ｆｉｇ．?１－４?Ｍｏｄａｌ?ｍｏｄｅ?ｗｉｔｈ?ｏｒ?ｗｉｔｈｏｕｔ?ｉｍｐｅｌｌｅｒ?ｒｏｔｏｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ＾５?＾??在计算电机的某一单一物理场的基础上，很多文献对高速永磁电机的多物理场??进行了比较。Ｆａｎｇ?Ｈａｉｙａｎｇ等学者对电机转子采用铬镍铁合金、钛合金以及碳纤维??材料时候电机的机械强度，电磁损耗，温度变化以及转子临界转速等方面进行了??计算与分析，并且提出了一种钛合金护套多层嵌套的护套结构，该结构可以在不??降低转子机械强度的基础上有效地降低转子涡流损耗，进而降低转子温升［５４】。王??天煜等学者对碳纤维护套转子结构的高速永磁同步电机进行了三维流－热－固耦合??计算，从而得到了电机的温升变化情况，以此为基础，对不同温度结果下转子永??磁体与护套的热应力变化进行了对比分析［５５】。??１．２．３不同护套材料的材料性能及工艺对比分析??由于奥氏体不锈钢、碳纤维以及钛合金材料的力学、电磁性能均不相同，所以??７?
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁钢充磁方式对永磁电机转子涡流损耗研究[J]. 路文开,张卫,唐杨. 微特电机. 2019(03)
[2]高速永磁电机转子静力学与模态分析研究[J]. 路文开,张卫,葛发华,张登平. 现代机械. 2018(05)
[3]兆瓦级高速永磁电机转子多场耦合强度分析[J]. 王天煜,温福强,张凤阁,王大朋,戴睿. 电工技术学报. 2018(19)
[4]高速永磁同步电动机流场及温度场分析[J]. 兰志勇,王琳,焦石,魏雪环,陈麟红. 微特电机. 2018(02)
[5]高速永磁电机碳纤维护套转子综合特性研究[J]. 刘威,陈进华,崔志琴,张驰. 微特电机. 2017(12)
[6]永磁同步电机三维全域温度场与温度应力耦合研究[J]. 丁树业,朱敏,江欣. 电机与控制学报. 2018(01)
[7]大功率高速永磁电机柔性转子系统模态分析[J]. 杜光辉,黄娜,张凤阁,王天煜. 电工技术学报. 2017(22)
[8]高速内置式永磁转子强度分析与设计[J]. 张超,朱建国,佟文明,韩雪岩. 电机与控制学报. 2017(12)
[9]扁平大功率高速永磁同步电机的护套设计及其强度优化[J]. 万援,崔淑梅,吴绍朋,Ostanin Sergei Yurievich,Milyaev Igor Matveevich. 电工技术学报. 2018(01)
[10]高速表贴式永磁电机转子机械强度研究[J]. 韩雪岩,何心永,刘欣苗,于占洋. 微特电机. 2017(03)
博士论文
[1]高速永磁电机转子综合设计方法及动力学特性的研究[D]. 王天煜.沈阳工业大学 2010
硕士论文
[1]超高速永磁电机的设计与温升问题研究[D]. 蒋鑫.沈阳工业大学 2018
[2]高速永磁电机转子涡流损耗分析计算[D]. 孙权贵.南京航空航天大学 2018
[3]高速电机转子机械应力及动力学特性研究[D]. 辛小伟.哈尔滨工业大学 2017
[4]飞轮储能用高速永磁电机温度场及系统放电过程的研究[D]. 杜林奎.北京交通大学 2017
本文编号：3323146
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２三种不同的转子拓扑结构示意图［３２］??
国内学者关于高速电机转子的应力分布与模态分析方面也做了大量工作。万??援等学者对碳纤维护套下，磁极间隔分别采用铝合金、钛合金、不锈钢以及环氧??树脂等材料下电机转子各部件的冷态，热态应力变化进行了分析［４５］。图１－３为采??用铝合金磁极间隔时冷态与热态下碳纤维护套的周向、径向应力变化，从图中可??以看出，随着温度的升高，碳纤维护套上的应力大幅度增加。??应力／ＭＰａ?应力／ＭＰａ??ｒＨｌ?＾０４??－１?ｉ：１??Ｂｉ?＂?Ｂ：ｉ??（ａ）冷态护套周向应力?（ｂ）冷态护套径向应力??ｆ?应力／ＭＰａ?＾?应力／ＭＰａ??Ｐ??－?７０５?１－４９??ｉｔｎ?ｍ??■?６７０?■?－７４??（ｃ）热态护套周向应力?（ｂ）热态护套径向应力??图１－３铝合金磁极间隔时冷态与热态下碳纤维护套应力变化［４５］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｔｒｅｓｓ?ｃｈａｎｇｅ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ?ｓｌｅｅｖｅ?ｕｎｄｅｒ?ｃｏｌｄ?ａｎｄ?ｈｏｔ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ?ｗｉｔｈ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ａｌｌｏｙ?ｐｏｌｅ??ｉｎｔｅｒｖａｌ?［４５］??程文杰等学者采用二维平面应力等效方式，通过数值解析方法对电机的应力??场进行求解，并通过有限元法验证了解析公式的正确性［４＼张凤阁等学者基于多??物理场耦合计算，从电机护套采用碳纤维，不同的合金钢材料时电机的应力场、??６??
的临界转速［５Ｑ】。杜光辉等学者对一台挠性转子结构的动力学特性进行了求解与分??析，主要考虑了电机的叶轮作用，轴承刚度以及转子结构的部件尺寸等因素对临??界转速的影响，最后进行了实验验证。图１＿４为高速电机转子有无叶轮结构下转子??结构的一阶与二阶模态振型［５１］。张超、张涛等学者基于厚壁圆筒理论、等效圆环??法等理论公式推导了电机转子的应力场解析计算方法，并通过有限元法进行了对??比验证［５２—５３】。??（ａ）无叶轮转子一阶模态振型?（ｂ）无叶轮转子二阶模态振型??（ｃ）无叶轮转子一阶模态振型?（ｄ）无叶轮转子二阶模态振型??图１－４有无叶轮转子结构的模态振型ｔ５１］??Ｆｉｇ．?１－４?Ｍｏｄａｌ?ｍｏｄｅ?ｗｉｔｈ?ｏｒ?ｗｉｔｈｏｕｔ?ｉｍｐｅｌｌｅｒ?ｒｏｔｏｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ＾５?＾??在计算电机的某一单一物理场的基础上，很多文献对高速永磁电机的多物理场??进行了比较。Ｆａｎｇ?Ｈａｉｙａｎｇ等学者对电机转子采用铬镍铁合金、钛合金以及碳纤维??材料时候电机的机械强度，电磁损耗，温度变化以及转子临界转速等方面进行了??计算与分析，并且提出了一种钛合金护套多层嵌套的护套结构，该结构可以在不??降低转子机械强度的基础上有效地降低转子涡流损耗，进而降低转子温升［５４】。王??天煜等学者对碳纤维护套转子结构的高速永磁同步电机进行了三维流－热－固耦合??计算，从而得到了电机的温升变化情况，以此为基础，对不同温度结果下转子永??磁体与护套的热应力变化进行了对比分析［５５】。??１．２．３不同护套材料的材料性能及工艺对比分析??由于奥氏体不锈钢、碳纤维以及钛合金材料的力学、电磁性能均不相同，所以??７?
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁钢充磁方式对永磁电机转子涡流损耗研究[J]. 路文开,张卫,唐杨. 微特电机. 2019(03)
[2]高速永磁电机转子静力学与模态分析研究[J]. 路文开,张卫,葛发华,张登平. 现代机械. 2018(05)
[3]兆瓦级高速永磁电机转子多场耦合强度分析[J]. 王天煜,温福强,张凤阁,王大朋,戴睿. 电工技术学报. 2018(19)
[4]高速永磁同步电动机流场及温度场分析[J]. 兰志勇,王琳,焦石,魏雪环,陈麟红. 微特电机. 2018(02)
[5]高速永磁电机碳纤维护套转子综合特性研究[J]. 刘威,陈进华,崔志琴,张驰. 微特电机. 2017(12)
[6]永磁同步电机三维全域温度场与温度应力耦合研究[J]. 丁树业,朱敏,江欣. 电机与控制学报. 2018(01)
[7]大功率高速永磁电机柔性转子系统模态分析[J]. 杜光辉,黄娜,张凤阁,王天煜. 电工技术学报. 2017(22)
[8]高速内置式永磁转子强度分析与设计[J]. 张超,朱建国,佟文明,韩雪岩. 电机与控制学报. 2017(12)
[9]扁平大功率高速永磁同步电机的护套设计及其强度优化[J]. 万援,崔淑梅,吴绍朋,Ostanin Sergei Yurievich,Milyaev Igor Matveevich. 电工技术学报. 2018(01)
[10]高速表贴式永磁电机转子机械强度研究[J]. 韩雪岩,何心永,刘欣苗,于占洋. 微特电机. 2017(03)
博士论文
[1]高速永磁电机转子综合设计方法及动力学特性的研究[D]. 王天煜.沈阳工业大学 2010
硕士论文
[1]超高速永磁电机的设计与温升问题研究[D]. 蒋鑫.沈阳工业大学 2018
[2]高速永磁电机转子涡流损耗分析计算[D]. 孙权贵.南京航空航天大学 2018
[3]高速电机转子机械应力及动力学特性研究[D]. 辛小伟.哈尔滨工业大学 2017
[4]飞轮储能用高速永磁电机温度场及系统放电过程的研究[D]. 杜林奎.北京交通大学 2017
本文编号：3323146
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