玩转高速电机转子设计

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高速电机的特点:

转速高、功率密度大、几何尺寸小,节约材料;转动惯量较小、动态响应较快;可与负载直接相连,省去传统变速装置,减小噪音提升系统效率;

高速电机广泛的应用前景:

高速磨床、空气循环制冷系统、高速离心压缩机、纺织、军工等。

高速电机可靠运行的关键:

转子的强度

转子的动力学特性

高速电机转子设计要求:

▶要有足够的强度

▶要有足够的刚度

▶满足临界转速要求

▶能使电机输出足够的功率

高速转子综合设计流程图:

转子强度分析

离心应力分析分析:

利用护套保护转子,在高速电机中很很常见,护套一般采用非导磁合金钢或者碳纤维等材料。非导磁合金钢护套对高频磁场起到一定的屏蔽作用,并能减小永磁体和转子轭中的高频附加损耗,同时导热性较好,有利于永磁体的散热,缺点是产生涡流损耗;碳纤维厚度薄,但是是热的不良导体,不利于永磁转子散热,对永磁体没有高频磁场屏蔽作用。外加一薄层导电性能良好而不导磁的金属可以起到屏蔽高频磁场的作用。

磁钢与护套过盈的有限元分析:

除旋转状态外,还需要考虑静止状态、高温状态。

临界转速

模态的定义 :

模态即结构的固有频率,是结构在受到干扰时容易发生振动的频率,结构在固有频率下的变形称为主振动模态,也称为振型。固有频率和振型的计算是一个特征值问题。特征值对应固有频率,特征向量对应振型。

临界转速的定义:

产生剧烈振动时的转速称为临界转速。轴和轴系在工作时主要产生两类振动:横向振动、扭转振动。

Ø横向振动(质心偏离回转轴线)产生的原因。

Ø扭转振动(受到变化的力矩作用)产生的原因。

刚性支撑模态:

转速与临界转速:

轴承对临界转速的影响:

陀螺转矩对临界转速的影响:

轴系振动模态:

当机组串联运行耦联成一个多跨转子系统,整个机组轴系有其自身的动力特性,与各单转子之间的临界转速既有区别又有联系。单转子平衡,连成轴系后也不能保证轴系中各转子的平衡,其主要原因有:

◆单转子振型及临界转速在连成轴系后发生变化;

◆转子联接时存在偏差;

◆冷、热状态下机组平衡发生变化;

◆耦联转子各自残余不平衡量的相位差引起的不平衡。

轴系振动模态:

单转子与机组临界转速比较:

总结与展望

高速电机发展势头良好,转子强度和临界转速是转子设计的基本,除了本文中提到的分析项目外,还需要做转子与轴过盈可靠性分析、装配应力与变形分析、工作状态应力与变形分析等。为了做出更好的高速电机,机械、电磁、温度多场耦合设计亦是必然。

本文结构:

本文转自:玩转高速电机转子设计

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