1、摘 要高速電機現(xiàn)正成為電機領(lǐng)域的研究熱點之一。其主要特點有兩個：一是轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)；二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率。由此決定了不同于普通電機的高速電機特有的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對一臺已經(jīng)研制出的100KW高速永磁電機的機械特性進行了分析研究。主要包括以下內(nèi)容：首先，對高速永磁電機的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，工作原理和ANSYS軟件進行了簡單的介紹。定子主要由機座、主磁極、換向極和電刷裝置組成，作用是產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)子由電樞鐵心和電樞繞組，換向器，軸及風扇等組成，作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢。電機中的電磁能與機械能的轉(zhuǎn)換是在磁場中完成的，本設計中采用永磁體建立磁場，完成能量的轉(zhuǎn)換。其次，對高速永磁電機的轉(zhuǎn)

2、子強度進行了分析。基于彈性力學理論和有限元接觸理論建立了高速永磁轉(zhuǎn)子應力計算模型，確定了護套和永磁體之間的過盈量，分析了永磁體和護套的強度。永磁體與護套之間采用過盈配合，用護套對永磁體施加靜態(tài)預壓力抵消高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉應力，使永磁體高速旋轉(zhuǎn)時仍能承受一定的壓應力，從而保證永磁轉(zhuǎn)子的安全運行。關(guān)鍵詞：高速永磁電機，轉(zhuǎn)子強度，ANSYS軟件 AbstractThe high-speed electrical motors are now becoming one of the hot areas of research. There are two main features: First, th

3、e rotor high-speed rotation and the other is the stator windings current and iron hearts of the high-frequency magnetic flux. This decision is different from the ordinary high-speed electrical motor unique key technologies. This paper has developed a 100 KW of high-speed permanent magnet motor of th

4、e mechanical properties of the analysis. Mainly include the following: First, It is the simple introduction to the high-speed permanent magnet motor stator and rotor structure, working principle and ANSYS software. Stator mainly consists of the main magnetic pole, and brush, acting as generating the

5、 magnetic field. Rotor consists of the armature core and armature winding, commentator, shaft and fan, and other components, acting a role in the electromagnetic torque sensors and EMF. The conversion between the electromagnetic energy and mechanical energy is completed in the magnetic field, and pe

6、rmanent magnet was applied in this designing to establish magnetic field to complete the conversion of energy. Secondly, the analysis of the rotor strength of the high-speed permanent magnet motor. On the basis the elasticity theory and finite element contact theory established a high-speed permanen

7、t magnet rotor stress model to determine the sheath between the permanent magnet and a win amount of sheathing and the permanent magnet strength. Permanent magnet and used between the jacket fit, with the permanent magnet sheath static pre-imposed pressure to offset high-speed rotation of the stress

8、 so that the permanent magnet can bear a certain stress at high-speed rotation, thus ensuring permanent magnet rotor the safe operation.Key words: high-speed permanent magnet motor, the rotor strength, ANSYS software1.1課題的來源及意義現(xiàn)代社會中，電能是使用最廣泛的一種能源。這種能量形式有許多優(yōu)點，如生產(chǎn)和變換比較經(jīng)濟，傳輸和分配比較容易，使用和控制比較方便等。人類自從使用了電能

9、，從繁重的體力勞動中得到了解放，并能完成手工勞動不能完成的任務。目前，我國電力工業(yè)居世界第二位1。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，發(fā)電廠的裝機容量在不斷擴大，單機容量為200MW、300MW、600MW機組已成為我國電網(wǎng)的主力機型。由于我國幅員遼闊，電力發(fā)展及分布很不均勻，而經(jīng)濟發(fā)展又極不平衡，偏遠地區(qū)用電困難，中心城市用電高峰期電力供應不足的情況仍很嚴重。集中發(fā)電、遠距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)是目前電力生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式。但這種模式有缺點，如電力輸送所需的成本隨著輸電距離的增加而增大；電能在輸送過程中存在著損耗；電力需求隨季節(jié)、時間的不斷變化，造成電力生產(chǎn)與用戶需求不協(xié)調(diào)等等。另外，集中式供

10、電模式面臨更嚴重的問題是：一旦供電中樞或電力網(wǎng)出現(xiàn)故障，造成的經(jīng)濟損失將難以估量。而且這種大電網(wǎng)又極易遭到戰(zhàn)爭或恐怖勢力的破壞，嚴重時將危害國家安全；另外集中式大電網(wǎng)還不能跟蹤電力負荷變化，而為了短暫的峰荷建造發(fā)電廠花費巨大，且經(jīng)濟效益也非常低。采用分布式供電系統(tǒng)作為輔助手段，可以很好地解決這些問題。分布式供電是指將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式布置在用戶附近，可獨立地輸出電能、熱能或冷能的系統(tǒng)。當今分布式主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機、微型燃氣輪機和各種工程用的燃料電池，其具有良好的環(huán)保性能。縱觀西方發(fā)達國家電力工業(yè)的發(fā)展過程，可以發(fā)現(xiàn)：電力工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了從分布式供電到集中式供電，又到分布和集

11、中相結(jié)合的供電方式的演變。造成這種現(xiàn)象不僅僅是由于生活水平提高的需求，而且也是集中式供電方式自身所固有的缺陷造成的。由微型燃氣輪機直接驅(qū)動內(nèi)置式高速發(fā)電機，發(fā)電機與壓氣機、透氣同軸，轉(zhuǎn)速在50000r/min120000r/min之間。高速發(fā)電機發(fā)出高頻交流電，經(jīng)電力變換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成直流電后，再轉(zhuǎn)換為50Hz/380V的交流電供用戶使用。這樣不僅簡化了結(jié)構(gòu)，使整臺發(fā)電機組體積顯著減小，重量減輕，而且也使系統(tǒng)的可靠性得到了提高。在電能的生產(chǎn)，輸送和使用等方面，電機起著重要的作用。電機發(fā)明至今已有200年的歷史。工業(yè)革命以后，蒸汽動力得以普遍應用，但蒸汽動力輸送和管理不便的缺點日益突出，迫使人們努力

12、尋找新的動力源。十九世紀初，人們已經(jīng)積累了有關(guān)電磁現(xiàn)象的豐富知識，在此基礎上，法拉第發(fā)現(xiàn)了載流導體在磁場中受力現(xiàn)象，很快原始型式的電動機就被制造出來了。但由于驅(qū)動源是蓄電池，當時極為昂貴，因而也就不能被推廣。為此人們尋求能將機械能轉(zhuǎn)為電能的裝置。1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律，第二年皮克利用磁鐵和線圈的相對運動，再加上一個換向裝置，制造了一臺原始型旋轉(zhuǎn)磁極式直流發(fā)電機，這就是現(xiàn)代直流發(fā)電機的雛形。電機是隨著生產(chǎn)發(fā)展而產(chǎn)生和發(fā)展的，而電機的發(fā)展反過來又促進社會生產(chǎn)力的不斷提高。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)自動化水平的不斷提高，各種高科技領(lǐng)域如計算機、通信、人造衛(wèi)星等行業(yè)也廣泛應用各種控制電機。電

13、機是使機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的機械。歷史上最早的電源是電池，只能供應直流電能，所以直流電機的發(fā)展比交流電機早。后來交流電機發(fā)展比較快，這是因為交流電機與直流電機相比有許多優(yōu)點，如易生產(chǎn)、成本低、能做到較大容量等。目前電站的發(fā)電機全都是交流電機；用在各個行業(yè)的電機，大部分也是交流電機。然而，直流電機目前仍有相當多的應用。電機主要包括發(fā)電機、變壓器和電動機等類型2。發(fā)電機可把機械能轉(zhuǎn)換為電能，主要用于生產(chǎn)電能的發(fā)電廠。在火電廠、水電廠和核電廠中，水輪機、汽輪機帶動發(fā)電機，把燃料燃燒得到的熱能、水流的機械能或原子核裂變的原子能都轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋０l(fā)電機發(fā)出的電壓為10.520KV，為了減少遠距離輸電中的能量

14、損失，應采用高壓輸電，輸電電壓為110KV、220KV、330KV、500KV或更高。把發(fā)電機發(fā)出的電壓升高到輸電電壓是由變壓器完成的。高壓輸電線將電能輸送到各個用電區(qū)，再由變壓器把高電壓降為所需的低電壓。在十分龐大又復雜的電力系統(tǒng)中，發(fā)電機和變壓器則是最重要的設備。電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，用來驅(qū)動各種用途的生產(chǎn)機械。機械制造工業(yè)、冶金工業(yè)、煤炭工業(yè)、石油工業(yè)、輕紡工業(yè)、化學工業(yè)、及其他各工礦企業(yè)中，廣泛應用各種電機。例如用電動機拖動各種機床、軋鋼機、電鏟等生產(chǎn)機械。當前科學技術(shù)突飛猛進，因此電機在制造上也向著大型、巨型發(fā)展。在應用上，由于計算機技術(shù)迅速發(fā)展，將會出現(xiàn)由機器人工作的無人工廠，

15、以計算機作為這些工廠的“中樞神經(jīng)”，使實現(xiàn)無人化成為可能。近30年來，由于大功率電力電子器件以及微電子技術(shù)、微型計算機技術(shù)的一系列進展促進了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)生產(chǎn)出多種電機交流調(diào)速系統(tǒng)，不僅提高了生產(chǎn)機械的性能，而且節(jié)省了大量電能。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，電力和電機工業(yè)在國民經(jīng)濟中仍將起著重要的作用，并將得到更大的發(fā)展。1.2高速電機介紹及應用前景高速電機正成為電機領(lǐng)域的研究熱點。所謂高速電機通常是指轉(zhuǎn)速超過10000r/min的電機。它們具有以下優(yōu)點：一是由于轉(zhuǎn)速高，所以電機功率密度高，而體積遠小于功率普通的電機，可以有效的節(jié)約材料。二是可與原動機相連，取消了傳統(tǒng)的減速機構(gòu)，傳動效率高，噪

16、音小。三是由于高速電機轉(zhuǎn)動慣量小，所以動態(tài)相應快3-5。基于以上優(yōu)點，高速電機在以下各方面具有廣闊的應用前景：（1） 高速電機在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機等各種場合得到應用6，而隨著科學技術(shù)的發(fā)展，特殊要求越來越多，它的應用也會越來越廣泛。（2） 隨著汽車工業(yè)混合動力汽車的發(fā)展，體積小，重量輕的高速發(fā)電機將會得到充分的重視，并在混合動力汽車，航空，船舶等領(lǐng)域具有良好的應用前景。（3）由燃氣輪機驅(qū)動的高速發(fā)電機體積小，具有較高的機動性，可用于一些重要設施的備用電源，也可作為獨立電源或小型電站，彌補集中式供電的不足，具有重要的實用價值。由于高速電機轉(zhuǎn)子上的離心力與線速度的平方成正比，高速電機要求具有

17、很高的機械強度；又由于高速電機頻率高，鐵耗大，在設計時應適當降低鐵心中的磁密，采用低損耗的鐵心材料。軸承的研究也是與高速電機密不可分的內(nèi)容，因為普通軸承難以承受在高速系統(tǒng)中承受長時間運行，必須采用新材料和新結(jié)構(gòu)的軸承。目前人們正在研究的類型有氣動軸承及磁力軸承。高速電機可以有多種結(jié)構(gòu)形式，如感應電機、永磁電機和磁阻電機等。電機在高速旋轉(zhuǎn)時的離心力很大，當線速度達到200m/s以上時，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，需要采用特殊的高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子動力學發(fā)展的近百年的歷史中，出現(xiàn)過很多計算方法，發(fā)展到今天，現(xiàn)代的計算方法主要可以分為兩大類：傳遞矩陣法和有限元法。有限元法的運動

18、方程表達方式簡潔，規(guī)范，在求解轉(zhuǎn)子動力學問題或轉(zhuǎn)子和周圍結(jié)構(gòu)一起組成的復雜機械系統(tǒng)的問題時，有很多優(yōu)點。有限元法對復雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剖分龐大，計算結(jié)果比傳遞矩陣法準確，然而計算耗時長，占用內(nèi)存大。現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，給有限元法提供了良好的硬件技術(shù)，目前，有限元方法得到了廣泛的應用。總而言之，國外對高速電機及相關(guān)技術(shù)的研究比較早，已經(jīng)取得了很多的研究成果，而且隨著新材料的不斷出現(xiàn)，加工工藝的不斷改進，技術(shù)必將以更快的速度向前推進。國內(nèi)對高速電機的研究還不是很多，基本上限于功率較小的發(fā)電機或電動機。1.3永磁材料介紹及永磁電機永磁材料是指經(jīng)外部磁場飽和充磁后，無需外部能量而提供磁場的一種特殊材料，也稱

19、硬磁材料。最早的永磁材料是磁鐵礦，在最初的電機中，人們利用磁鐵礦石建立所需要的磁場。隨著科學技術(shù)的進步，永磁材料近年來開發(fā)很快，出現(xiàn)了性能各異的永磁材料。衡量永磁材料的好壞，主要是根據(jù)它的剩磁磁密Br、矯頑力Hc、最大磁能積（BH）max和回復系數(shù)以及機械加工性能和穩(wěn)定性等。現(xiàn)有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁體三大類7。永磁電機的優(yōu)點有：一是取消了勵磁系統(tǒng)損耗，提高了效率。二是勵磁繞組和勵磁電源，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。三是電機的尺寸和形狀靈活多樣，體積小。由于電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，永磁電機的控制技術(shù)亦已成熟并日趨完善。以往電機的概念和應用范圍已被當今的電機大大擴展。可以毫不夸張地說，永磁電機已在從

20、小到大，從一般控制驅(qū)動到高精度的伺服驅(qū)動，從人們?nèi)粘Ｉ畹礁鞣N高精尖的科技領(lǐng)域作為最主要的驅(qū)動電機出現(xiàn)，而且前景會越來越明顯。通過對感應電機和同步電機的電磁、熱和機械方面的比較，指出永磁電機是應用在高速電機的最佳選擇。1.4本文研究的主要內(nèi)容本文主要針對一臺已經(jīng)研制成功的高速電機樣機應用有限元軟件進行機械特性分析，對電機進行機械特性研究的主要目的是校驗轉(zhuǎn)子是否能夠承受所允許的應力，保證高速電機的安全運行。（1） 熟悉永磁電機的運行特點和工作原理。（2）對高速電機轉(zhuǎn)子護套和永磁體應力進行分析。（3） 采用有限元法計算護套和永磁體內(nèi)的應力分布，由此保障永磁轉(zhuǎn)子在高速運行時安全。第2章 高速永磁電機

21、的基本結(jié)構(gòu)高速電機可以有多種結(jié)構(gòu)形式，如感應電機，永磁電機和磁阻電機等，它們各有優(yōu)缺點。從功率密度和效率來看，選擇順序為永磁電機、感應電機和磁阻電機；然而從轉(zhuǎn)子機械特性來看其選擇順序需要顛倒過來，即磁阻電機、感應電機和永磁電機。在確定高速電機結(jié)構(gòu)形式時，需要對其電磁特性和機械特性綜合對比研究。目前中小功率高速電機采用永磁電機較多，中大功率高速電機采用感應電機較多。高速電機主要有兩個特點：一是轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)；二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率，一般在1000hz以上。由此決定了不同于普通電機的高速電機特有的關(guān)鍵技術(shù)。2.1高速永磁電機的主要結(jié)構(gòu)及特點定子結(jié)構(gòu)定

22、子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極和電刷裝置組成。（1）機座：既作為電機的機械支撐，又是磁極間磁通的通路。（2）主磁極：其作用是使電樞表面的氣隙磁通密度在空間按一定形狀分布。通常用0.53mm厚的低碳鋼板沖成一定形狀的沖片，然后疊壓形成。（3）換向極：其作用是幫助換向。換向極的氣隙通常有兩處：一是極弧與電樞表面形成的氣隙；另一處是換向極與磁軛接觸處，常用非導磁材料墊出，以減少漏磁。（4）定子鐵心結(jié)構(gòu)：高速永磁電機轉(zhuǎn)速高，定子繞組電流和鐵心中磁場交變頻率較高。鐵心中磁通的變化頻率與電機的轉(zhuǎn)速成正比，額定轉(zhuǎn)速60000r/min的高速永磁電機定子磁場變化率是3000r/min電機頻率的

23、20倍，如鐵心中的磁通密度相同，高速電機鐵耗將增加50倍。為降低鐵耗，目前高速電機定子鐵心采用低損耗冷軋電硅鋼片。高速電機通常采用多槽、少槽和無槽三種不同類型的結(jié)構(gòu)。無槽結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生高頻齒波磁場，對減少轉(zhuǎn)子損耗十分有利，但有效氣隙大，氣隙磁密較小，材料利用率低，需采用高性能的永磁材料。有槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣隙磁場強，材料利用率高，但存在齒諧波磁場，轉(zhuǎn)子的損耗大。本設計中，定子鐵心采用六槽結(jié)構(gòu)。如圖2.1b所示abc圖2.1定子鐵心結(jié)構(gòu)氣隙鐵心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子通常稱為電樞。作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，由電樞鐵心和電樞繞組，換向器，軸及風扇等組成。轉(zhuǎn)子設計是高速永磁電機設計的關(guān)鍵。在高速永磁發(fā)電機的設計

24、中，永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)成為首選。但是，它也有不可避免的缺點：永磁體不能承受巨大的離心力，必須采用一些高強度材料來保護。此外，高溫下容易引起永磁體退磁，所以設計時要防止轉(zhuǎn)子過熱。（1）電樞鐵心：提供主極下磁通的通路。通常用低硅硅鋼片或冷軋硅鋼片疊成，片間涂絕緣漆以減少損耗。（2）換向器：換向器是電動機的整流部分，它是用來向旋轉(zhuǎn)電樞供電和向各段繞組分配電流的。電樞繞組內(nèi)流過的是交變電流，而外電路是直流電，換向器即是將電源提供的直流電轉(zhuǎn)換為電樞繞組中的交變電流，使電動機工作時始終按一個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。（3）電樞繞組：電樞繞組是用帶絕緣的銅導線繞成一個一個的線圈元件，嵌放在電樞鐵心的槽中，各元件按一定的規(guī)律聯(lián)

25、結(jié)到相應的換向片上，全部這些元件就組成了電樞繞組。元件可能是多匝的，也可能只有一匝。每個元件可預先做成相同的形狀，嵌放在槽中時可以彼此錯開。繞組導線的截面積決定于元件內(nèi)通過電流的大小。除了每層導線上都包有絕緣外，每層的各元件邊外面還包有絕緣，上下層之間有絕緣墊片，最外用楔將元件壓住，以免轉(zhuǎn)動時元件因離心力而甩出。繞組元件被嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)，它的一個元件邊被放在槽的上層，另一邊嵌放在另一槽的下層，同一槽內(nèi)上下二層放置了不同元件的有效邊。電樞繞組可分為：單疊繞組、單波繞組、復疊繞組、復波繞組、混合繞組等。它們的主要區(qū)別在于從電刷外看進去，電樞繞組聯(lián)結(jié)成了不同數(shù)目的并聯(lián)支路。（4）永磁材料的選擇

26、衡量永磁材料的好壞，主要是根據(jù)它的剩磁磁密Br，矯頑力Hc，最大磁能積(BH)max和回復系數(shù)以及機械加工性能和穩(wěn)定性等。目前國內(nèi)外永磁電機所采用的磁鋼大致分三類：第一類是鋁鎳鈷系磁鋼。鋁鎳鈷是本世紀三十年代研制成功的永磁材料，主要成分是鐵、鋁、鎳、鈷。雖其具有剩磁感應強度高，機械強度良好，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但它矯頑力低，抗退磁能力差，而且要用貴重的金屬鈷，成本高，這些不足大大限制了它在電機中的應用。第二類是鐵氧體永磁材料。鐵氧體磁體是本世紀五十年代初開發(fā)的永磁材料，它是非金屬的，包含氧化鋇和氧化鐵或氧化鍶和氧化鐵，由粉末加壓燒結(jié)成型。其最大的特點是價格低廉，有較高的矯頑力，不易失磁，其不足是

27、剩磁感應強度和最大磁能積都較低。第三類是一些稀土合金。釤鈷稀土磁材料在六十年代中期問世，它具有鋁鎳鈷一樣高的剩磁感應強度，矯頑力比鐵氧體高，但釤稀土材料價格較高。80年代初釹鐵硼稀土永磁材料的出現(xiàn)，它具有高的剩磁感應強度，高的矯頑力Hc，高的磁能積(BH)max，這些特點特別適合在電機中使用。它們不足是溫度系數(shù)大，居里點低，容易氧化生銹而需涂復處理。經(jīng)過這幾年的不斷改進提高，這些缺點大多已經(jīng)克服，現(xiàn)釹鐵硼永磁材料最高的工作溫度已可達180，一般也可達150，已足以滿足絕大多數(shù)電機的使用要求。我國稀土蘊藏量很大，具有更高性能的稀土永磁材料還在不斷被研制出來。永磁材料的發(fā)展極大地推動了永磁電機的開

28、發(fā)應用。 （5）永磁體的保護高速永磁電機選用的是燒結(jié)釹鐵硼永磁材料，這種永磁材料能承受較大的壓應力（1000mpa），但不能承受大的拉應力，其抗拉強度一般低于抗壓強度的十分之一。如果沒有保護措施，永磁體將無法承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的巨大離心力而被破壞。目前保護永磁體的措施有兩種：一種保護方法是采用碳纖維綁扎永磁體；另一種是在永磁體外加非導磁保護套。采用碳纖維綁扎時綁扎帶的厚度要小，而且不產(chǎn)生高頻渦流損耗。但是碳纖維綁扎工藝比較復雜。為了屏蔽氣隙磁場中的高次諧波，減少永磁體中的磁滯損耗，一般需要在永磁體表面放置一層薄銅片，這就進一步增加了對加工工藝的要求，而且不利于轉(zhuǎn)子動平衡，碳纖維是熱的不良導

29、體，這對永磁體的散熱不利。采用非導磁保護套的方法，根據(jù)永磁體抗壓性能遠大于抗拉性能的特點，永磁體與護套之間采用過盈配合，即對靜態(tài)的永磁體施加一定預壓應力，以抵消高速旋轉(zhuǎn)時離心力產(chǎn)生的拉應力，并保證永磁體在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時始終承受適當?shù)膲簯Α７菍Т疟Ｗo套能夠?qū)Ω哳l磁場起到一定的屏蔽作用。導熱性能好，有利于永磁體的散熱，但護套為導體，會產(chǎn)生渦流損耗。如圖2.2所示 圖2.2 高速永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（6）極數(shù)的選擇高速電機一般采用2極或4極結(jié)構(gòu)，各有優(yōu)缺點。2極電機的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子永磁體可采用整體結(jié)構(gòu)，保證轉(zhuǎn)子經(jīng)向各同性有利于轉(zhuǎn)子的動態(tài)平衡，同時可減少定子繞組電流和鐵心中磁場的交變頻率，有利于降低高額附加

30、損耗。2極電機的缺點是定子繞組端部較長而鐵心軛部較厚。4極電機剛好與2極電機相反，優(yōu)點是定子繞組端部較短和鐵心軛部較薄，缺點是永磁轉(zhuǎn)子需要多塊永磁體拼接，這就降低了轉(zhuǎn)子的剛度，同時定子繞組電流和鐵心中磁場的交變頻率較高，增加了鐵耗。本設計中采用的是4極結(jié)構(gòu)。在直流電動機中，電樞反應磁動勢對前半極增強，對后半極去磁。對于單向旋轉(zhuǎn)的永磁電機，前半極的部分或全部可采用性能較低的而價格便宜的永磁材料，如鐵氧體永磁材料或者使用軟鐵；后半極采用高性能永磁材料，如釹鐵硼永磁，就是所謂的復合磁極結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是：可以保證電機性能的前提下，減少永磁材料的用量，降低電機的成本。（7）轉(zhuǎn)子的直徑和長度的選擇 高速永磁

31、電機的轉(zhuǎn)速很高，一般在20000r/min以上，甚至高達十幾萬轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生很大的離心力。以減小離心力角度來看，高速電機轉(zhuǎn)子直徑應選得越小越好，所以高速電機轉(zhuǎn)子一般為細長型。然而轉(zhuǎn)子要有足夠大的空間放置永磁體和轉(zhuǎn)軸，因此，轉(zhuǎn)子直徑不可過小。而且為了保證轉(zhuǎn)子具有足夠的剛度和較高的臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子軸向不可過長。特別是采用磁懸浮軸承的高速電機轉(zhuǎn)子，為了減小跨越臨界轉(zhuǎn)速時磁懸浮控制的難度，應采用適當?shù)霓D(zhuǎn)子長徑比。2.2高速永磁電機的工作原理電機中的電磁能與機械能的轉(zhuǎn)換是在磁場中完成的。要弄清電機的工作原理和性能必須對電機的磁場有正確的了解。直流電機工作時，首先需要建立一個磁場，它可以由永久磁鐵或由

32、直流勵磁的勵磁繞組產(chǎn)生。一般前者建立的磁場比后者建立的磁場弱。本設計中采用永磁體建立磁場。利用永久磁鐵勵磁，必須使永磁磁路中包含一段由其它物質(zhì)所組成的磁路，這種磁路通常是氣隙。氣隙磁場就是由永磁體產(chǎn)生，工作原理與傳統(tǒng)直流電機相同，只是主磁通由永磁體產(chǎn)生，因而不能人為調(diào)節(jié)。電樞是用來產(chǎn)生磁通的，它由電樞鐵心和繞組線圈組成。電樞鐵心作為磁的通路及嵌放電樞繞組之用。當電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)時，鐵心中的磁通方向不斷變化，因而也會產(chǎn)生渦流及磁滯損耗，為了減少渦流損耗，電樞鐵心一般用0.5或0.35mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。電樞繞組是由許多個完全相同的繞組元件按一定的規(guī)律聯(lián)接起來所組成。繞組元件一般就

33、是一個線圈，它的兩個線端分別接到換向器的兩個換向片上，各元件是在換向片上相互聯(lián)接起來的電樞繞組是電動機的核心部分。當電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組會感應電動勢。當電樞繞組中有電流流過時，會產(chǎn)生電樞磁動勢，它與氣隙磁場相互作用，又產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。電動勢與電流相互作用，吸收或放出電磁功率。二者同時存在構(gòu)成電磁能量與機械能量的相互轉(zhuǎn)換，完成電機的基本功能。電樞繞組安放在定子鐵心中，永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢查永磁磁極的位置，據(jù)此確定定子繞組的導通狀態(tài)，使電機產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，電樞繞組在電機中起著重要的作用。2.3 ANSYS軟件和有限元方法簡介 2.3.1 ANSYS軟件ANS

34、YS軟件誕生于上世紀七十年代，在有限元的發(fā)展史上，一直作為一個重要成員存在，在激烈的市場競爭中生存下來，并發(fā)展壯大，目前是世界上最有影響的有限元軟件之一。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAD工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便

35、地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 2.3.2 有限元方法有限元方法的基本思想：首先將偏微分方程的邊值問題等價為條件變分問題，再利用合適的單元類型對求解區(qū)域進行剖分

36、，在單元上構(gòu)造相應的插值函數(shù)，對各個單元進行分析，得到個單元內(nèi)能量的表達式和單元能量對三個節(jié)點磁位的導數(shù)；然后對所有單元的分析結(jié)果進行總體合成，將能量泛函的極值問題轉(zhuǎn)化為多元能量函數(shù)的極值問題，建立以各種節(jié)點磁位為變量的代數(shù)方程組，得到各節(jié)點的磁位，進而得到相應的磁場量。 主要特點是根據(jù)該方法編制的軟件系統(tǒng)對于各種各樣的電磁計算問題具有較強的適應性，通過前處理過程有效的形成方程并求解。它能方便的處理非線性介質(zhì)特性，如鐵磁飽和特性等。它所形成的代數(shù)方程具有系數(shù)矩陣對稱正定、稀疏等特點，所以求解容易，收斂性好，占用計算機內(nèi)存量也較少。這些正是有限元法能成為電氣設備計算機輔助設計核心模塊的優(yōu)勢所在。

37、從當前電磁計算的前沿發(fā)展來看，有限元方法不僅本身在應用方面具有很大的潛力，而且結(jié)合其他理論和方法還有廣闊的發(fā)展前景。第3章 永磁發(fā)電機的機械特性分析3.1. 基本數(shù)據(jù)電機尺寸：（1）考慮變流器效率0.95；（2）發(fā)電機輸出額定功率PN = 110.53 kW；（3）UN = 320V； nN = 10000 r/min，cos = 0.95，m = 3，2p = 8，2q=4；（4）F = (p+q) nN /60 =(4+2) 10000/60 = 1000 Hz；定子內(nèi)徑 Di1 = 76 mm；（5）IN = PN /(3 UN cos) = 110530/(3×320

38、5;0.95) = 121 (A)；（6）定子極距 =Di1 /(2p) = ×76 / 2×4 =29.8 (mm)；（7）旋轉(zhuǎn)速度 v = 2f/1000 = 2×1000×29.8/1000 = 59.6 (m/s)；（8）鐵心長選取 lt = 125 mm； 定子槽數(shù) Z1 = 6；設槽滿率Sf = 0.83.2 110kW永磁發(fā)電機的ANSYS電磁場分析3.2.1ANSYS電磁場分析ANSYS電磁場分析，其基本原理是將所處理的對象首先劃分成有限個單元，然后根據(jù)矢量磁勢或電勢，繼而進一步求解出其他相關(guān)量。它的主要分析過程是：前處理，定義物理環(huán)境，

39、包括坐標系選用、單位制設定、有限單元選用與說明和材料特性定義等。對問題進行幾何建模，然后對求解區(qū)域用選定的單元進行劃分，并對劃分的單元賦予特性和進行編號。（屬前處理）施加邊界條件和載荷。求解和后處理。在這次設計中對二維靜態(tài)磁場進行了分析。前處理先確定關(guān)鍵點，ANSYS語句K, NPT, X, Y, Z 選定關(guān)鍵點。程序如下所示：/UNITS,SI/PREP7 !進入前處理*SET,PI,2*ASIN(1) *SET,F,1000 *SET,INFINITY,TAN(PI/2) DX=0DY=0LOCAL,11,1 ！選取直角坐標系統(tǒng)K,1, 0, 0 ！選取關(guān)鍵點K, 10,0.0330, 3

40、0 K, 11,0.0330, -30K, 12, 0.0330, 3.58 K, 13, 0.0330, -3.58K, 14, 0.0341, 3.47K, 15, 0.0341, -3.47K, 16, 0.0360, 11.26 K, 17, 0.0360, -11.26K, 18, 0.0710, 21.06K, 46, 0.116, 1.649K, 47, 0.116, -1.649K, 48, 0.133, 0.662K, 49, 0.133, -0.662K, 50, 0.140, 30K, 51, 0.140, -30確定關(guān)鍵點之后，根據(jù)ANSYS語句LSTR用直線連接關(guān)鍵點

41、，而語句LARC P1, P2, PC, RAD是用弧線連接關(guān)鍵點。P1是圓弧起點P2是圓弧終點PC是圓心RAD是圓弧半徑。程序如下所示：LARC,2,3,1,0.012 ! L1第一條線，用弧線連接關(guān)鍵點LSTR,2,4 ！用直線聯(lián)結(jié)關(guān)鍵點LARC,4,5,1,0.0255LSTR,3,5LSTR,5,7LARC,6,7,1,0.031 ! L6LSTR,4,6LSTR,6,8LARC,8,9,1,0.0315LSTR,7,9 ! L10 LARC,10,12,1,0.033LARC,12,13,1,0.033 LARC,47,41,1,0.116LARC,35,29,1,0.116LARC

42、,50,51,1,0.140LSTR,24,50 ! L55LSTR,25,51LSTR,16,17得到定轉(zhuǎn)子沖片的一個槽和一個極的模型，以便將它復制一周形成所研究的定轉(zhuǎn)子沖片模型圖。然后根據(jù)ANSYS語句LESIZE, NL1, SIZE, ANGSIZ, NDIV, SPACE, KFORC, LAYER1, LAYER2, KYNDIV對線進行劃分，為后面的網(wǎng)格劃分做準備。程序如下所示：LESIZE,1,3 ！第一條線分3份LESIZE,2,5 ！以下以此類推LESIZE,3,10LESIZE,5,3LESIZE,6,30LESIZE,7,3LESIZE,8,1LESIZE,9,30LE

43、SIZE,10,1 LESIZE,41,5LESIZE,42,5LESIZE,43,5LESIZE,44,20LESIZE,45,2LESIZE,46,4 然后再由線生面以形成定轉(zhuǎn)子沖片模型圖。首先用ANSYS語句AL 選線成面，然后用語句AGEN,將面復制ITIME 次，NUMMRG這條語句將所定義過的線和面疊壓以防止發(fā)生一條線有兩種定義這樣的錯誤。程序如下所示：AL,6,7,8,9,10,47 AL,34,35,36,43AL,28,29,30,42AL,22,23,24,41AL,16,17,18,40AGEN,6,1,5,1,60 ! A6-A30 LSEL,S,4,12,1,1 ！選

44、擇412的一組線LSEL,A,1,3,2LSEL,A,13,39,1AL,ALL ! A31 AGEN,6,31,60 CYL4,0,0,0.0320 ！產(chǎn)生一個圓形區(qū)域或圓柱體CYL4,0,0,0.0315CYL4,0,0,0.0300CYL4,0,0,0.0255CYL4,0,0,0.0120ASEL,S,50,54,1,1AOVERLAP,allNUMMRG,allLSEL,S,271,278,1LESIZE,ALL, , ,30, ,1, , ,1,LSEL,S,279,294,1LESIZE,ALL, , ,30, ,1, , ,1,ALLSEL,allAplot 到此，前處理即建模

45、結(jié)束，對模型的網(wǎng)格劃分完成了，得到模型如圖3.1所示圖 3.1 高速永磁電機建模圖形求解、旋轉(zhuǎn)、后處理求解程序的操作是指定邊界條件并加載后進行計算，由于要得到這些結(jié)果就需要將電機旋轉(zhuǎn)，通過它的旋轉(zhuǎn)來得到不同的數(shù)據(jù)，執(zhí)行該程序后可得到矢量磁位、磁通密度、力密度等重要參數(shù)以及圖形。 后處理是以圖形方式直觀地顯示有限元計算結(jié)果，在本設計中，需要對電機的機械特性進行分析。通過VLTA=2*(FAI1-FAI2)*0.94*0.125*20/(1.1111E-5) dt=60/n*4/360 =60/60000*4/360 = 1.1111E-5這條語句計算出相電勢TOR = FTAN*0.125*0.

46、94 ！計算轉(zhuǎn)距PWR = TOR*2*3.1416*60000/60 ！計算功率VWRITE,VLTA,TOR,PWR/1000 ！讀出結(jié)果通過以上語句便可知磁場如何分布，磁密分布情況等等。由有限元方法計算出來的轉(zhuǎn)矩和功率數(shù)值畫出曲線圖，如圖3.2和3.3所示。 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 時間/ s 10-3功率020406080100120 功率/w功率圖3.2 輸出功率圖轉(zhuǎn)矩05101520123 4567 時間/s 10-3轉(zhuǎn)矩/m轉(zhuǎn)矩圖3.3 輸出轉(zhuǎn)矩圖3.3. 轉(zhuǎn)子強度分析電機在高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子的離心力很大，當線速度達到200m/s以上時

47、，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，需要采用特殊高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子。對于永磁電機來說，轉(zhuǎn)子強度問題更為突出。轉(zhuǎn)子強度分析的主要目的，是校驗轉(zhuǎn)子是否能夠承受所允許的應力，保證高速電機的安全運行。由于永磁體能夠承受很大的壓應力而不能承受較大的拉應力，永磁體和保護套之間需要采用過盈配合，使用磁體靜態(tài)承受一定的壓應力，以補償高速旋轉(zhuǎn)時離心力產(chǎn)生的拉應力，使永磁體的拉應力在材料所允許的范圍之內(nèi)。需要給永磁體施加多大的預壓力，永磁體和保護套之間采用多大的過盈量，是轉(zhuǎn)子強度分析所要解決的問題。設計中永磁體和護套都為環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以采用彈性力學理論進行分析。本章利用彈性力學和有限元相結(jié)合的方法分析轉(zhuǎn)子

48、強度。永磁體強度分析 （1）靜應力（裝配應力） 徑向裝配應力 (3.1)切向裝配應力： (3.2) （2）工作應力 考慮旋轉(zhuǎn)和溫度工況，永磁體工作時的徑向裝配應力為： (3.3)切向裝配應力： (3.4)旋轉(zhuǎn)徑向動應力: (3.5)旋轉(zhuǎn)切向動應力: (3.6)（3）等效應力永磁體既承受徑向力又承受切向力，是一種復合應力，需要校核其等效應力，永磁體承受的等效應力在軸向的各個截面上是一致的。由于旋轉(zhuǎn)時在離心力作用下永磁體和護套產(chǎn)生了應變，其交接面的過盈量和壓力皆發(fā)生變化，從而使永磁體的內(nèi)部應力發(fā)生變化。與靜態(tài)相比，永磁體承受的切向壓應力減小。建立轉(zhuǎn)子應力求解程序如下：/FILNAM,ZZ/UNIT

49、S,SI/PREP7ET,1,PLANE42KEYOPT,1,3,3R,1,0.125MP,EX,1,1.5E11MP,PRXY,1,0.3MP,DENS,1,7600LOCAL,11,1K, 1,0,0,0 ！選關(guān)鍵點K, 2, 0.010, 45,0K, 3, 0.010,-45,0 K, 9, 0.025,-25,0LARC,2,3,1,0.01LSTR,2,4 ！直線連接關(guān)鍵點LARC,6,4,1,0.037 ！弧線連接關(guān)鍵點LSTR,8,6 NUMCMP,ALLALLSELCIRCLE,1,0.025ASBL,ALL,ALLNUMCMP,ALLLSTR,26,28ASBL,5,33

50、！進行網(wǎng)格劃分LSEL,S,18,19,1,1 LSEL,A,4,13,3LESIZE,ALL,5TYPE,1MSHAPE,0,2DAMESH,1,4,1ALLSELMSHKEY,1AMAP,6,28,31,30,26AMAP,7,28,31,30,26CSYS,1NROTAT,ALLFINISH得到轉(zhuǎn)子等效應力模型，如圖3.4所示。圖3.4 永磁體中的軸向等效應力從圖3.4中可以看出，永磁體沿半徑方向上的壓應力略有不同，當溫度達到150時，永磁體外表面所受到的壓應力最大。護套強度分析考慮旋轉(zhuǎn)和溫度工況，永磁體工作時的徑向裝配應力為： (3.7)切向裝配應力 (3.8)旋轉(zhuǎn)徑向動應力 (3.9

51、)旋轉(zhuǎn)切向動應力 (3.10)徑向總應力 (3.11)切向總應力 (3.12)圖3.5護套中的軸向等效應力從圖3.5中可以看出，護套和永磁體相接觸的內(nèi)表面承受的應力最大，隨著半徑的增大，護套的中的等效應力會逐漸減小。當溫度升高時，由于護套和永磁體之間的過盈配合進一步減少，護套承受的壓應力也會減小。3.3.3永磁體與護套間的靜壓力永磁體工作溫度部不高于180，轉(zhuǎn)子的工作溫度不超過150，由于熱脹冷縮作用，溫度升高時，永磁體和護套之間的過盈配合量進一步減少，從而導致永磁體承受的壓應力進一步減少，必須對永磁體進行進一步應力分析。（1）裝配壓力（過盈靜壓力） (3.13)（2）工作靜壓力考慮旋轉(zhuǎn)和溫度工況，永磁體與護套的工作靜壓力 (3.14)式中為總靜過盈量 (3.15)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，由于旋轉(zhuǎn)應力產(chǎn)生的應變，永磁體和轉(zhuǎn)子護套之間的過盈量將減小，而轉(zhuǎn)子溫度升高后，由于在熱