佟文明， 潘雪龍， 高俊， 侯明君， 吳勝男

(沈陽工業(yè)大學(xué) 國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

高速永磁電機(jī)具有功率密度大、體積小、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-4]，但其轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度和散熱問題一直是制約高速電機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素。永磁體由于其自身的物理特性難以承受巨大離心力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，對于高速電機(jī)必須對永磁體采取相應(yīng)的保護(hù)措施。同時(shí)，高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升過高也會(huì)導(dǎo)致永磁體的不可逆失磁。

目前國內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)對表貼式高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析做了研究，文獻(xiàn)[5]針對一臺額定功率300 kW，轉(zhuǎn)速12 000 r/min的扁平結(jié)構(gòu)高速永磁電機(jī)給出了碳纖維護(hù)套轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度計(jì)算公式，但其解析模型中未考慮溫度對轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[6]考慮了軸向應(yīng)力對轉(zhuǎn)子強(qiáng)度計(jì)算的影響，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了適用于各向同性材料的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度解析公式。文獻(xiàn)[7]分別推導(dǎo)了合金護(hù)套和碳纖維護(hù)套的強(qiáng)度計(jì)算解析公式，并用有限元法進(jìn)行了驗(yàn)證，總結(jié)了兩種保護(hù)措施的設(shè)計(jì)規(guī)律。文獻(xiàn)[8]分析了表貼式高速永磁轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)械條件，并以一臺60 000 r/min樣機(jī)為例，利用該條件進(jìn)行了轉(zhuǎn)子護(hù)套設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[9]考慮了電機(jī)轉(zhuǎn)子的加工工藝因素，在轉(zhuǎn)子強(qiáng)度解析模型中分析了永磁體與轉(zhuǎn)軸間的厭氧膠對轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[10]在現(xiàn)有環(huán)形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度解析方法的基礎(chǔ)上，建立了表貼分段式永磁轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度解析模型，并用有限元法進(jìn)行了驗(yàn)證。

碳纖維護(hù)套具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、其護(hù)套的厚度相對于合金護(hù)套更薄，但是導(dǎo)熱性能較差，裝配較為困難[11-12]；合金護(hù)套雖然有較好的導(dǎo)熱性能，但采用該材料時(shí)，合金護(hù)套和永磁體中存在的非同步時(shí)間和空間諧波會(huì)引起渦流損耗，電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)因損耗增加而溫升過高，導(dǎo)致永磁體的不可逆失磁。因此在降低高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的問題上仍需要進(jìn)行更深入的研究。文獻(xiàn)[13]提出了一種復(fù)合材料護(hù)套結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層護(hù)套采用合金材料，外層護(hù)套采用碳纖維材料，有效的降低了轉(zhuǎn)子的損耗和溫升。文獻(xiàn)[14]采用在永磁體與護(hù)套之間添加鐵氧體材料的方法來達(dá)到減小轉(zhuǎn)子渦流損耗的作用。文獻(xiàn)[15]研究了不銹鋼護(hù)套厚度對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響規(guī)律，并分析了不銹鋼與碳纖維材料不同占比時(shí)組成的復(fù)合護(hù)套對轉(zhuǎn)子損耗的抑制效果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[16]分析了不同電導(dǎo)率的護(hù)套材料對轉(zhuǎn)子損耗及溫升的影響。文獻(xiàn)[17]通過在永磁體與護(hù)套之間添加銅屏蔽層的方法有效地抑制了轉(zhuǎn)子的渦流損耗，分析了不同銅屏蔽層厚度與轉(zhuǎn)子渦流損耗之間的關(guān)系、推導(dǎo)了解析計(jì)算模型，并總結(jié)了不同銅屏蔽層厚度時(shí)，轉(zhuǎn)子應(yīng)力的變化規(guī)律。

當(dāng)護(hù)套厚度較薄時(shí)，護(hù)套材料成本下降、導(dǎo)電護(hù)套中的損耗降低、轉(zhuǎn)子風(fēng)摩耗減少，因此減小轉(zhuǎn)子護(hù)套厚度能從多方面提升電機(jī)的性能。雖然采用較薄護(hù)套具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其厚度也受轉(zhuǎn)子機(jī)械性能的限制，護(hù)套厚度過薄會(huì)導(dǎo)致永磁體在電機(jī)運(yùn)行時(shí)受拉應(yīng)力而損壞。本文提出一種多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)單層護(hù)套結(jié)構(gòu)過盈配合單一、護(hù)套內(nèi)外表面受力跨度較大的缺點(diǎn)，提升護(hù)套的利用率。推導(dǎo)該結(jié)構(gòu)的二維應(yīng)力場解析計(jì)算模型，基于該模型提出多層護(hù)套的設(shè)計(jì)方法，并使用該方法對一臺高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子護(hù)套進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后通過有限元分析驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。分析結(jié)果證明在保證永磁體和護(hù)套受力極值不變的情況下，所設(shè)計(jì)的三層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與原單層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，護(hù)套的總厚度減小10%，轉(zhuǎn)子渦流損耗減少12.6%。

1 多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度解析

所提出的多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)軸、永磁體和多層護(hù)套三部分組成。其中，永磁體與轉(zhuǎn)軸之間無過盈配合要求，護(hù)套與永磁體之間存在過盈配合，不同層護(hù)套之間存在過盈配合，每層護(hù)套所采用的材料相同。

表貼式高速永磁電機(jī)的護(hù)套、永磁體和轉(zhuǎn)軸均為圓筒結(jié)構(gòu)，可采用厚壁筒理論對其受力進(jìn)行解析分析。提出了一種多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，需建立多層過盈配合的轉(zhuǎn)子應(yīng)力場、應(yīng)變場、位移場解析公式。

1.1 轉(zhuǎn)子的應(yīng)力和位移分析

對于表貼式高速永磁電機(jī)，轉(zhuǎn)子的保護(hù)措施通常采用碳纖維護(hù)套和合金護(hù)套。合金護(hù)套以及其他部分的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為各向同性材料，而碳纖維護(hù)套為各向異性材料，其徑向和切向的物理屬性有很大的差別，為了使解析計(jì)算方法能同時(shí)適用于不同材料的護(hù)套，按照各向異性材料進(jìn)行解析推導(dǎo)，多層護(hù)套轉(zhuǎn)子的二維平面應(yīng)力模型如圖2所示。

圖2 多層護(hù)套轉(zhuǎn)子平面應(yīng)力模型Fig.2 Plane stress model for the rotor withmulti-layer sleeves

假定永磁轉(zhuǎn)子共包含N層結(jié)構(gòu)，N為正整數(shù)且N大于等于3。由N層結(jié)構(gòu)所組成的轉(zhuǎn)子共有N-1個(gè)配合接觸面,每兩個(gè)相鄰接觸面之間的過盈配合量為δn；每個(gè)接觸面上的徑向壓應(yīng)力為σn，圖2中箭頭所示方向?yàn)閴簯?yīng)力的正方向；轉(zhuǎn)子各層的次序由序號n定義，n值由內(nèi)到外依次增加，最內(nèi)層的結(jié)構(gòu)序號為1，最外層的結(jié)構(gòu)序號為N。

考慮了轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)溫升對轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響，在極坐標(biāo)下的廣義胡克定律為：

(1)

式中：εrn和εθn分別為徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變；σrn和σθn分別為徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力；Ern和Eθn分別為徑向彈性模量和切向彈性模量；μrθn和μθrn分別為徑向泊松比和切向泊松比；βrn和βθn分別為徑向熱膨脹系數(shù)和切向熱膨脹系數(shù)；n表示結(jié)構(gòu)序號；ΔT為轉(zhuǎn)子溫升。

在厚壁筒理論中，半徑r處的徑向和切向應(yīng)變與徑向位移之間的關(guān)系為：

(2)

式中un、r分別為第n層結(jié)構(gòu)徑向位移和半徑位置。

根據(jù)彈性力學(xué)理論，轉(zhuǎn)子各部分的平衡微分方程為

(3)

式中：ρn為第n層結(jié)構(gòu)材料密度；ω為旋轉(zhuǎn)角速度。

聯(lián)立式(1)～式(3)得到微分方程：

(4)

(Ern-Eθnμrθn)βrnΔTr+

(Ernμθrn-Eθn)βθn×

ρnω2r3(1-μθrnμrθn)。

(5)

求解微分方程(5)，得到第n層結(jié)構(gòu)徑向位移un的表達(dá)式為

(6)

將式(6)代入式(4)，得到第n層結(jié)構(gòu)徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的表達(dá)式為：

(βrn+βθnμθrn)ΔT}。

(7)

(βθn+βrnμrθn)ΔT}。

(8)

第n層結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力σMisesn可由其徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力表達(dá)為

(9)

1.2 邊界條件

對于每一層結(jié)構(gòu)都存在一組待定系數(shù)An、Bn，為了確定其數(shù)值需在不同層結(jié)構(gòu)之間建立聯(lián)系。從力學(xué)角度分析可知，第n層結(jié)構(gòu)外表面所受的徑向力與第n+1層結(jié)構(gòu)內(nèi)表面所受的徑向力數(shù)值大小相同；最外層護(hù)套外表面不與任何結(jié)構(gòu)接觸，其所受的徑向應(yīng)力為0，即

(10)

第n層結(jié)構(gòu)內(nèi)徑處的徑向位移與第n-1層結(jié)構(gòu)外徑處的徑向位移之差，等于兩層之間的過盈配合量；對于第一層轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑處的徑向位移量為0，即

(11)

根據(jù)以上邊界條件，對于任意n層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)都能夠給出與之對應(yīng)的2n個(gè)關(guān)于An、Bn的等式方程進(jìn)行求解。待所有待定系數(shù)求得之后，代入到式(6)～式(9)中便可得到每層結(jié)構(gòu)的徑向位移、徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力和等效應(yīng)力。

2 多層護(hù)套設(shè)計(jì)實(shí)例及有限元驗(yàn)證

2.1 多層護(hù)套與單層護(hù)套作用效果對比

在單層護(hù)套的設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度和安全系數(shù)來確定護(hù)套和永磁體所能承受的應(yīng)力極限值，并以該值為標(biāo)準(zhǔn)對護(hù)套的厚度及過盈量進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于單層護(hù)套，其所受的等效應(yīng)力大小沿半徑方向線性遞減，護(hù)套內(nèi)表面所承受的等效應(yīng)力最大，外表面所承受的等效應(yīng)力最小，內(nèi)外兩側(cè)的受力跨度較大，造成了護(hù)套使用效率較低的情況。多層護(hù)套采用小厚度、多配合的結(jié)構(gòu)，通過在每層護(hù)套之間施加適當(dāng)?shù)倪^盈量值來約束護(hù)套整體的受力大小。在不改變電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械性能的情況下，該結(jié)構(gòu)能夠有效降低護(hù)套整體受力的跨度范圍，提高護(hù)套的使用效率，并在一定程度上減小了護(hù)套的總厚度。

為了將多層護(hù)套結(jié)構(gòu)的保護(hù)效果與單層護(hù)套相對比，以一臺額定功率為15 kW、轉(zhuǎn)速為30 000 r/min的高速永磁電機(jī)作為研究對象，電機(jī)的極對數(shù)為2，極弧系數(shù)為1，轉(zhuǎn)子的主要參數(shù)如表1所示，護(hù)套與永磁體之間的過盈量為0.12 mm。該電機(jī)護(hù)套的材料為鈦合金材料，永磁體和護(hù)套的極限狀態(tài)都出現(xiàn)電機(jī)高速高溫的情況下。采用單層護(hù)套時(shí)，該狀態(tài)下護(hù)套內(nèi)表面的等效應(yīng)力為493.05 MPa，永磁體所受的最小切向壓應(yīng)力為-2.3 MPa，出現(xiàn)在永磁體內(nèi)徑處，已接近無壓力的狀態(tài)。

表1 高速永磁轉(zhuǎn)子材料屬性Table 1 Material properties of high-speed PM rotor

采取雙層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對多層護(hù)套的保護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證。通過調(diào)節(jié)每層護(hù)套的過盈配合，保證每層護(hù)套內(nèi)表面處所受的等效應(yīng)力與原單層護(hù)套內(nèi)表面處所受的等效應(yīng)力近似相同，雙層護(hù)套的內(nèi)層和外層選取不同的厚度值，但總厚度始終保持為2 mm不變。在高速高溫情況下永磁體所受的最小切向應(yīng)力如圖3所示。

圖3 內(nèi)外層護(hù)套不同厚度時(shí)永磁體的切向受力情況Fig.3 Tangential force of permanent magnets with different thicknesses of inner and outer sleeves

護(hù)套厚度越不均勻，永磁體所受的切向壓應(yīng)力越??；當(dāng)每層護(hù)套使用相等厚度時(shí)永磁體所受的切向壓應(yīng)力最大，其數(shù)值為-7.08 MPa，此時(shí)兩層護(hù)套的過盈量值分別為，δ2=0.12 mm，δ3=0.127 mm。該計(jì)算結(jié)果說明了當(dāng)護(hù)套整體的受力跨度較小，受力分布更均勻時(shí)，其保護(hù)性能更好，永磁體的安全性更高。

從上述分析可知，當(dāng)每層護(hù)套等厚時(shí)多層護(hù)套的保護(hù)效果最好。采用不同層數(shù)的等厚護(hù)套，且護(hù)套的總厚度均為2 mm時(shí)，永磁體的最小切向應(yīng)力如圖4所示。隨著護(hù)套層數(shù)的增加，永磁體極限狀態(tài)下所受的最小切向壓應(yīng)力不斷提升，但提升幅度逐漸減小。當(dāng)護(hù)套層數(shù)超過三層時(shí)永磁體的受力基本不發(fā)生改變，因?yàn)榇藭r(shí)每層護(hù)套的受力跨度已經(jīng)較小，采用更多層數(shù)的護(hù)套難以進(jìn)一步提升護(hù)套的利用率。因此在設(shè)計(jì)多層護(hù)套時(shí)應(yīng)同時(shí)兼顧轉(zhuǎn)子強(qiáng)度與加工裝配兩方面問題，選擇合適的護(hù)套層數(shù)。

圖4 高速高溫情況下采用不同層數(shù)護(hù)套時(shí)永磁體的受力狀態(tài)Fig.4 Under high-speed and high-temperature conditions the force state of the permanent magnet with different layers of sleeves

2.2 多層護(hù)套的設(shè)計(jì)方法

多層護(hù)套為單層護(hù)套的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，為快速確定多層護(hù)套的厚度和過盈量，可在單層護(hù)套的初始設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，可節(jié)省大量設(shè)計(jì)時(shí)間。由二維應(yīng)力場解析計(jì)算模型分析可知，當(dāng)護(hù)套內(nèi)徑及過盈量確定時(shí)，護(hù)套厚度對護(hù)套內(nèi)表面所受等效應(yīng)力的最大值影響較??；當(dāng)采用多層護(hù)套結(jié)構(gòu)時(shí)，外層護(hù)套過盈量的大小對內(nèi)層護(hù)套的受力狀態(tài)影響較小。因此在設(shè)計(jì)過程中可先確定單層護(hù)套的過盈量值及厚度值，并以該值為參考量，快速確定多層護(hù)套的參數(shù)范圍，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照由內(nèi)到外的順序依次確定每層結(jié)構(gòu)之間的過盈量。建立了多層護(hù)套結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Design process for multi-layer sleeves rotor structure

2.3 有限元驗(yàn)證

為了驗(yàn)證多層護(hù)套設(shè)計(jì)方法中，多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度解析計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，使用該方法對額定功率為15 kW、轉(zhuǎn)速為30 000 r/min的高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并分別使用有限元法和解析法對設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)子進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

高速高溫狀態(tài)下，當(dāng)單層護(hù)套的厚度為2 mm、預(yù)置過盈量為0.12 mm時(shí)，護(hù)套的等效應(yīng)力為440.13～493.05 MPa，永磁體的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力分別為-28.17～-32.66 MPa、-2.30～-9.74 MPa。為了將多層護(hù)套結(jié)構(gòu)與單層護(hù)套結(jié)構(gòu)相對比，以采用單層護(hù)套時(shí)轉(zhuǎn)子各部分的受力狀況為多層護(hù)套的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使用多層護(hù)套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并考慮到工藝要求，快速確定了多層護(hù)套的各項(xiàng)參數(shù)。采用三層護(hù)套的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，護(hù)套的內(nèi)半徑為26 mm、外半徑為27.8 mm，每層護(hù)套的厚度為0.6 mm，每層結(jié)構(gòu)之間的過盈量為：δ1=0；δ2=0.12 mm；δ3=0.125 mm；δ4=0.129 mm。此時(shí)三層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)整體的受力狀態(tài)與采用單層護(hù)套結(jié)構(gòu)時(shí)相同，但護(hù)套的總厚度減小了0.2 mm。

當(dāng)溫度穩(wěn)定為120 ℃時(shí)，三層護(hù)套等效應(yīng)力、徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的有限元計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 各層護(hù)套應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of multi-layer sleeves

圖7～圖9為三層護(hù)套結(jié)構(gòu)在額定轉(zhuǎn)速高溫狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，分別采用有限元方法和解析方法計(jì)算所得到的應(yīng)力分布對比圖，兩者計(jì)算結(jié)果基本吻合。如圖6所示，改進(jìn)設(shè)計(jì)后各層護(hù)套所受的等效應(yīng)力近似相等，其受力值均近似為474～494 MPa，最大受力值與單層護(hù)套的受力狀態(tài)相同，滿足預(yù)先設(shè)定的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)使用單層護(hù)套結(jié)構(gòu)時(shí)，護(hù)套的受力跨度為52.92 MPa，而多層護(hù)套的受力跨度僅為20 MPa。與單層護(hù)套相比，此結(jié)構(gòu)的護(hù)套在滿足機(jī)械性能的前提下，護(hù)套整體均處于較高的受力狀態(tài)，護(hù)套的使用率得到了大幅度提升。在三層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中每層護(hù)套等效應(yīng)力的最大值仍出現(xiàn)在護(hù)套的內(nèi)徑處，隨著半徑增加，每層護(hù)套的等效應(yīng)力線性減小。圖7表明，多層護(hù)套的徑向應(yīng)力分布狀態(tài)與單層護(hù)套相同，為連續(xù)分布狀態(tài)，受力大小由內(nèi)層到外層逐漸遞減，最終趨近于0。

圖7 沿半徑方向單層及三層護(hù)套的等效應(yīng)力Fig.7 Von-Mises stress distribution of multi-layer sleeves along radial position

圖9 沿半徑方向三層護(hù)套的切向應(yīng)力Fig.9 Tangential stress distribution of multi-layer sleeves along radial position

如圖10～圖11所示，當(dāng)采用三層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)，有限元法計(jì)算得到的永磁體的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力為-29.37～-32.95 MPa和-0.33～-8.37 MPa；解析法計(jì)算得到的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力分別為-28.25～-32.73 MPa和-2.35～-9.79 MPa，兩者計(jì)算結(jié)果基本吻合且與采用單層護(hù)套時(shí)永磁體的受力狀態(tài)近似相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了多層護(hù)套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。

圖10 永磁體的應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution of PM

圖11 沿半徑方向永磁體的應(yīng)力分布Fig.11 Stress distribution of PM along radial position

由于所分析的多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與原始的單層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，只有護(hù)套的層數(shù)與厚度發(fā)生了變化，永磁體尺寸、等效氣隙長度等其他參數(shù)均未發(fā)生改變，且轉(zhuǎn)子護(hù)套材料為非導(dǎo)磁性材料，故可認(rèn)為分層護(hù)套結(jié)構(gòu)對電機(jī)電磁性能無影響。

3 多層護(hù)套結(jié)構(gòu)對渦流損耗的影響

上文中所設(shè)計(jì)的三層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)不變的情況下，相比于單層護(hù)套總厚度減小了0.2 mm，即該結(jié)構(gòu)的物理氣隙長度增加了0.2 mm。物理氣隙的增加會(huì)減少磁場諧波在護(hù)套區(qū)域產(chǎn)生的渦流損耗；同時(shí)，護(hù)套體積的減小也會(huì)使護(hù)套內(nèi)的渦流損耗降低。采用單層護(hù)套結(jié)構(gòu)與三層護(hù)套結(jié)構(gòu)時(shí)轉(zhuǎn)子各部件的渦流損耗如圖12所示。

圖12 不同結(jié)構(gòu)下的轉(zhuǎn)子渦流損耗Fig.12 Eddy current loss of rotor with different configuration

當(dāng)采用三層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)永磁體和轉(zhuǎn)軸的渦流損耗有所增加，但三層護(hù)套內(nèi)的渦流損耗總和遠(yuǎn)小于單層護(hù)套的渦流損耗，該結(jié)構(gòu)與單層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比渦流總損耗下降了12.6%。

4 結(jié) 論

1)基于厚壁筒理論，搭建了多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度解析模型，該模型中考慮了轉(zhuǎn)子溫升和護(hù)套材料的各向異性對計(jì)算結(jié)果的影響，并通過有限元分析的方法驗(yàn)證了解析計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2)建立了多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，基于二維應(yīng)力場解析計(jì)算模型提出了一種快速確定每層護(hù)套厚度及過盈量的方法，使每層護(hù)套內(nèi)表面的最大受力值近似相等且護(hù)套與永磁體的受力極限值均滿足于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。

3)本文所提出的多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)通過采用多層過盈配合的方式使護(hù)套的受力分布更加均勻，提升了護(hù)套整體的使用效率。對一臺高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子護(hù)套進(jìn)行設(shè)計(jì)，在不改變轉(zhuǎn)子各部分機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，多層護(hù)套結(jié)構(gòu)的總厚度相比于原單層護(hù)套減小了10%。

4)對單層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行了計(jì)算和對比，結(jié)果表明當(dāng)使用多層護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)子的總渦流損耗降低了12.6%。