孔思琪, 陳進(jìn)華, 仇一鳴, 張 馳

小型表貼式永磁電機(jī)不同護(hù)套性能差異仿真分析

孔思琪1,2,3, 陳進(jìn)華1*, 仇一鳴2, 張 馳1

（1.中國(guó)科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所, 浙江 寧波 315201; 2.寧波菲仕技術(shù)股份有限公司, 浙江 寧波 315800;3.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)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(jī)護(hù)套的方案, 為此對(duì)一款實(shí)際生產(chǎn)中額定功率為11kW、額定轉(zhuǎn)速為6000r·min-1的小型表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的保護(hù)工藝進(jìn)行了研究. 基于有限元法, 采用Ansys軟件分別對(duì)玻璃纖維無(wú)緯帶和碳纖維2種護(hù)套材料進(jìn)行轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和溫度場(chǎng)仿真. 結(jié)果表明, 碳纖維護(hù)套的保護(hù)效果優(yōu)于玻璃纖維護(hù)套, 但玻璃纖維護(hù)套的散熱性好于碳纖維護(hù)套, 2種護(hù)套均能保證測(cè)試電機(jī)的結(jié)構(gòu)安全. 基于以上結(jié)果并考慮材料成本和工藝難易程度, 認(rèn)為采用玻璃纖維護(hù)套性價(jià)比更高.

表貼式永磁電機(jī); 玻璃纖維無(wú)緯帶; 碳纖維

永磁電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)大、控制特性好等優(yōu)點(diǎn), 相比其他傳統(tǒng)電機(jī), 兩者在結(jié)構(gòu)上有很大差別, 永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)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(gè)保護(hù)套, 以抵消旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力[1]. 高強(qiáng)度的復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、渦流損耗小等特點(diǎn)[2]. 目前小型表貼式永磁電機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用碳纖維護(hù)套, 但碳纖維價(jià)格較高且工藝復(fù)雜.

當(dāng)前對(duì)碳纖維護(hù)套的研究成果頗豐, 如文獻(xiàn)[3-6]針對(duì)表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度設(shè)計(jì)開(kāi)展了系列研究. 文獻(xiàn)[7]建立了轉(zhuǎn)子應(yīng)力分析模型, 對(duì)比了4種不同護(hù)套材料對(duì)永磁體應(yīng)力分布的影響. 文獻(xiàn)[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(jī)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度, 針對(duì)碳纖維護(hù)套提出了通過(guò)在護(hù)套內(nèi)層纏繞各向同性的玻璃纖維來(lái)降低護(hù)套彎曲應(yīng)力. 文獻(xiàn)[9]建立了轉(zhuǎn)子等效應(yīng)力解析模型, 基于理論分析得出滿足應(yīng)力要求的最佳過(guò)盈量. 文獻(xiàn)[10-12]分別從碳纖維的厚度、過(guò)盈量以及溫度場(chǎng)等對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行了研究. 文獻(xiàn)[13-14]介紹了玻璃纖維無(wú)緯帶的綁扎工藝, 對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子用無(wú)緯帶綁扎的可靠性展開(kāi)了研究, 通過(guò)理論公式分析了無(wú)緯帶本身的可靠性, 但未對(duì)永磁體進(jìn)行強(qiáng)度分析. 文獻(xiàn)[15]研究表明, 車用內(nèi)置式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子表面綁扎玻璃纖維無(wú)緯帶能提高轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、減少繞組端部漏磁, 可有效改善電機(jī)的電氣性能、降低成本、簡(jiǎn)化加工制造工藝. 但對(duì)玻璃纖維無(wú)緯帶用于永磁體保護(hù)套的研究鮮見(jiàn)報(bào)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(jī)護(hù)套的設(shè)想. 由于目前市面上沒(méi)有用玻璃纖維無(wú)緯帶作為轉(zhuǎn)子保護(hù)套的表貼式永磁電機(jī), 因此缺少碳纖維護(hù)套和玻璃纖維護(hù)套在轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、永磁體保護(hù)、電機(jī)溫升等方面的比較. 為此, 對(duì)一款實(shí)際生產(chǎn)中額定功率為11kW、額定轉(zhuǎn)速為6000r·min-1的小型表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子保護(hù)工藝進(jìn)行了研究, 采用有限元法研究2種護(hù)套的性能差異, 以期為實(shí)際生產(chǎn)中降低小型表貼式永磁電機(jī)生產(chǎn)成本、獲得更高效益提供參考.

1 不同綁扎工藝的特點(diǎn)

表貼式永磁電機(jī)磁鋼一般都用高強(qiáng)度、耐高溫黏結(jié)劑黏附在轉(zhuǎn)子表面, 呈偏心瓦片狀提供徑向磁通[16], 黏結(jié)劑涂抹于轉(zhuǎn)軸表面, 本文不考慮涂層厚度對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的影響. 在安裝保護(hù)套時(shí)對(duì)磁鋼施加一定的靜態(tài)預(yù)壓力, 使其在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)抵消部分離心力, 從而保證電機(jī)運(yùn)行的可靠性. 不同材質(zhì)保護(hù)套對(duì)電機(jī)的氣隙大小、散熱、渦流損耗以及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等會(huì)產(chǎn)生不同的影響, 進(jìn)而影響電機(jī)的性能.

1.1 玻璃纖維無(wú)緯帶綁扎工藝

玻璃纖維無(wú)緯帶綁扎方法成本低、加工簡(jiǎn)單、可靠性高、磁鋼不易飛脫, 缺點(diǎn)是在電機(jī)運(yùn)行時(shí)高溫會(huì)使絲帶發(fā)熱膨脹, 可能會(huì)與定子發(fā)生摩擦.

玻璃纖維無(wú)緯帶綁扎固定是使被綁扎的機(jī)器以一定的速度將無(wú)緯帶緊箍在磁鋼外表面, 無(wú)緯帶接觸磁鋼面涂抹環(huán)氧樹(shù)脂, 綁扎結(jié)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(wú)緯帶轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子如圖1所示.

圖1 玻璃纖維無(wú)緯帶綁扎的電機(jī)轉(zhuǎn)子

玻璃纖維無(wú)緯帶的寬度為19.1mm, 推薦應(yīng)用張力為2222.6N, 最高可以承受溫度為220℃.固化后玻璃纖維無(wú)緯帶參數(shù)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(shù)48×10-5K-1、抗拉強(qiáng)度1400 MPa.

1.2 碳纖維綁扎工藝

碳纖維護(hù)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(fā)生退磁現(xiàn)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(zhuǎn)子進(jìn)行裝配[17]. 本文所用電機(jī)過(guò)盈量為0.05mm, 完成冷壓裝配后的電機(jī)轉(zhuǎn)子如圖2所示, 碳纖維各項(xiàng)性能參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 碳纖維綁扎的電機(jī)轉(zhuǎn)子

表1 碳纖維性能參數(shù)

2 轉(zhuǎn)子強(qiáng)度理論分析

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)

表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子三維結(jié)構(gòu)如圖3所示. 轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)外半徑分別為ri=43.0mm,ro=52.5mm; 磁鋼內(nèi)外半徑分別為mi=52.5mm,mo=56.1mm; 護(hù)套內(nèi)外半徑分別為hi=56.1mm,ho=56.9mm.

圖3 分塊表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子三維結(jié)構(gòu)

2.2 碳纖維轉(zhuǎn)子強(qiáng)度理論分析

當(dāng)電機(jī)在額定工作點(diǎn)運(yùn)行時(shí), 在離心力的作用下, 永磁體與碳纖維護(hù)套發(fā)生位移, 過(guò)盈量發(fā)生變化, 此時(shí)永磁體外表面的位移量為[18]:

碳纖維護(hù)套內(nèi)表面的位移變化為[17]:

考慮到電機(jī)運(yùn)行溫度會(huì)造成永磁體與碳纖維護(hù)套發(fā)生膨脹, 但因永磁體的熱膨脹系數(shù)極小, 因此因溫度變化產(chǎn)生的位移可忽略, 僅需考慮碳纖維護(hù)套因溫度變化產(chǎn)生的位移即可. 位移公式為:

電機(jī)在額定工況下運(yùn)行時(shí)過(guò)盈量和壓力為:

式中:為額定運(yùn)行工況下的過(guò)盈量;為額定運(yùn)行工況下永磁體受到的壓力.

由文獻(xiàn)[18]可得, 永磁體和碳纖維護(hù)套所受的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力為:

2.3 玻璃纖維轉(zhuǎn)子強(qiáng)度理論分析

使用玻璃纖維無(wú)緯帶對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行綁扎時(shí), 設(shè)對(duì)綁帶施加力為, 則匝時(shí)切向總拉力玻璃纖維對(duì)永磁體的徑向壓力為:

其對(duì)永磁體產(chǎn)生的壓強(qiáng)為:

旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力對(duì)永磁體的壓強(qiáng)為[18]:

永磁體的徑向與切向裝配應(yīng)力為:

3 有限元驗(yàn)證

在額定工作點(diǎn)6000r·min-1(線速度35.2m·s-1)時(shí), 采用Ansys軟件對(duì)所測(cè)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和溫度仿真, 并在最大溫度為100℃時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試. 根據(jù)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)、損耗以及傳熱情況給出相應(yīng)的邊界條件為: (1)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度為6000r·min-1, 模擬實(shí)際電機(jī)的旋轉(zhuǎn). (2)忽略磁鋼黏結(jié)劑的影響, 將磁鋼與轉(zhuǎn)子接觸設(shè)定為綁定; 磁鋼與碳纖維護(hù)套為過(guò)盈設(shè)置, 過(guò)盈量為0.05mm; 磁鋼與玻璃纖維護(hù)套設(shè)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(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真時(shí), 電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子、繞組和永磁體加載相應(yīng)溫度, 作為相應(yīng)熱源. (4)溫度仿真采用熱密度加載方法, 將計(jì)算得出的各部分損耗導(dǎo)入電機(jī)作為相應(yīng)的熱源, 計(jì)算電機(jī)各部分的溫升.

3.1 工作點(diǎn)永磁體應(yīng)力分析

分別對(duì)碳纖維轉(zhuǎn)子和玻璃纖維轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元應(yīng)力計(jì)算, 結(jié)果如圖4所示. 從圖4可見(jiàn), 碳纖維護(hù)套對(duì)永磁體的保護(hù)更好, 在工作點(diǎn)碳纖維護(hù)套下永磁體的最大拉應(yīng)力略小于玻璃纖維護(hù)套, 但兩者都遠(yuǎn)小于極限拉伸強(qiáng)度. 在工作點(diǎn)碳纖維和玻璃纖維護(hù)套都可以保證電機(jī)的運(yùn)行強(qiáng)度.

圖4 2種護(hù)套在6000r·min-1時(shí)永磁體最大拉應(yīng)力

3.2 最大工作溫度時(shí)永磁體應(yīng)力分析

從圖5可知, 在最大工作溫度時(shí)碳纖維護(hù)套依舊可較好保護(hù)永磁體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度, 而玻璃纖維護(hù)套已接近拉伸極限, 但仍在保護(hù)范圍內(nèi).

圖5 2種護(hù)套在6 000 r·min-1和100℃時(shí)永磁體最大拉應(yīng)力

從圖6和圖7可見(jiàn), 2種護(hù)套在6000 r·min-1工況下, 永磁體切向、徑向和最大拉應(yīng)力與溫度近乎線性關(guān)系. 相同工況下, 在碳纖維護(hù)套保護(hù)下永磁體切向、徑向和最大拉應(yīng)力均比玻璃纖維護(hù)套保護(hù)下小, 表明碳纖維護(hù)套的保護(hù)更可靠. 但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 2種護(hù)套都能保證永磁體不被破壞.

圖6 2種護(hù)套永磁體最大拉應(yīng)力隨溫度的變化

圖7 2種護(hù)套永磁體的應(yīng)力分布

3.3 護(hù)套的強(qiáng)度驗(yàn)證

從圖8和圖9可知, 碳纖維護(hù)套的最大拉應(yīng)力隨溫度變化較劇烈, 而玻璃纖維護(hù)套相對(duì)平和, 兩者都隨溫度呈線性變化. 碳纖維護(hù)套的抗拉伸強(qiáng)度為2400MPa, 遠(yuǎn)大于極限工況下所受的拉應(yīng)力, 玻璃纖維護(hù)套為1400MPa, 在最大溫度點(diǎn)時(shí)接近最大抗拉極限, 但可保證永磁體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.

圖8 2種護(hù)套在6000r·min-1和100℃時(shí)最大拉應(yīng)力

圖9 2種護(hù)套在6000r·min-1時(shí)最大拉應(yīng)力隨溫度的變化

3.4 不同護(hù)套散熱差異

不同護(hù)套材料對(duì)電機(jī)的散熱性能產(chǎn)生不同影響. 從2種護(hù)套電機(jī)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果(圖10和圖11)可知, 更換玻璃纖維護(hù)套后電機(jī)散熱性能略有提升. 測(cè)試電機(jī)使用永磁體的最高退磁溫度為120℃,更換護(hù)套產(chǎn)生的溫度場(chǎng)變化對(duì)性能無(wú)影響.

圖10 碳纖維護(hù)套工作點(diǎn)時(shí)定子和永磁體的溫度(單位:℃)

圖11 玻璃纖維護(hù)套工作點(diǎn)時(shí)定子和永磁體的溫度(單位:℃)

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

圖12 2種護(hù)套下永磁體溫度隨轉(zhuǎn)速的變化

4 結(jié)論

(1)對(duì)碳纖維護(hù)套和玻璃纖維護(hù)套電機(jī)的2個(gè)工作點(diǎn)和最大工作溫度進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿真, 碳纖維護(hù)套對(duì)永磁體的保護(hù)均優(yōu)于玻璃纖維, 但玻璃纖維護(hù)套足夠保證所測(cè)電機(jī)的結(jié)構(gòu)安全.

(2)本文中電機(jī)使用玻璃纖維護(hù)套測(cè)試時(shí)僅纏繞1層, 其對(duì)永磁體的保護(hù)略差于碳纖維, 在實(shí)際生產(chǎn)中, 可纏繞2層以獲得更可靠的保護(hù), 并增強(qiáng)玻璃纖維護(hù)套本身的強(qiáng)度.

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

(4)在實(shí)際生產(chǎn)中, 碳纖維護(hù)套的性能溢出, 因此選擇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠、成本較低、加工簡(jiǎn)單的玻璃纖維護(hù)套能獲得更好的效益.

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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(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（51807194）; 寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專項(xiàng)（2019B10077）; 寧波市自然科學(xué)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(jī)設(shè)計(jì). E-mail: 1243202951@qq.com

通信作者:陳進(jìn)華（1985－）, 男, 江西進(jìn)賢人, 博士/正高級(jí)工程師, 主要研究方向: 永磁電機(jī)設(shè)計(jì)及控制. E-mail: chenjinhua@nimte.ac.cn

TM341

A

1001-5132（2022）04-0040-06

（責(zé)任編輯 史小麗）