高速永磁电机转子设计与强度计算

李兴波

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002)

高速永磁电机转子设计与强度计算

李兴波

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002)

永磁电机具备结构简单、力能密度高、无励磁损耗、效率高等诸多优势，最适用于高速电机中。采取解析法对转子与轴承系统的动力学进行分析，可对高速永磁电机运行的安全性、可靠性有至关重要的影响。因此，做好高速永磁电机转子设计与强度的计算尤为重要。

高速永磁电机；转子设计；强度计算

近年来，高速电机的应用领域越发广泛，受到业内人士的关注。永磁电机由于结构简单，力能密度较高，又具备无励磁损耗，效率较高等特点，更适用于高速电机中。通过实践分析得知，在高速永磁电机的设计过程中，最为关键的就是转子设计。为研制开发出工作效率更高，运行更为可靠的高速永磁电机，笔者重点阐述了高速永磁电机转子的设计与强度计算等问题，供广大同行参考借鉴。

1 高速永磁电机转子结构的设计

1.1 高速永磁电机转子外径的选取

在高速永磁电机转子的设计上，电磁与机械是要统筹考虑的两个方面，因为永磁电机的转子不仅要为定子绕组提供较强的旋转磁场，还要承受高速旋转过程中所产生的离心力。因为离心力和旋转速度之间往往呈现正比关系。为了进一步降低离心力，在高速永磁电机转子外径的选取上必须保持一个合理的比例。必须保证高速永磁电机转子有足够的空间去安装永磁体、铁心、绕组，还要有足够的刚度。

1.2 高速永磁电机极数的选取

通常情况下，高速电机级数采用的是2极或4极。2级电机便于永磁体整体结构的安装，以确保永磁转子的机械性能与电磁性能呈现出对称性，且2极电机的定子铁心磁场和绕组电流频率仅为4极电机的一半，有利于降低电机的定子铁耗与铜耗。虽然2极电机定子绕组的端部较长，需要定子铁心轭部的面积较大，但从机械与电磁两个方面进行综合考核，高速永磁电机转子结构还是采用2极更为适合。

1.3 高速永磁电机永磁体材料的选取

永磁体材料的性能直接决定了高速永磁电机的整体性能，所以，必须做好永磁体材料的选取工作。第一，选择那些剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积较大的永磁材料；第二，选择耐高温的永磁材料；第三，选择机械性能较好的永磁材料。

1.4 高速永磁电机永磁体的保护

在不施加保护措施的前提下，永磁体本身无法承受转子在高速旋转过程中所产生的离心力。所以，必须对永磁体采取必要的保护措施。可以在永磁体外面添加一层非导磁保护套，并使永磁体与护套之间采取过盈配合。基于上述诸多方面的综合考量，采取外加保护套的高速电机永磁转子结构型式(图1)。该电机采用的是2极结构，永磁体材料采用的是高性能烧结钕铁硼，永磁体采用的是整体结构。在永磁转子直径与长度的选取上，应结合电机的额定功率与转速，通过优化设计电磁与机械性能后加以确定。

图1 一种高速永磁电机转子结构示意图Fig.1 High-speed permanent magnet motor rotor structure schematic diagram

2 高速永磁电机转子强度的计算分析

因为永磁体本身不能承受较大的拉应力，为了合理控制永磁体所承受的拉应力，往往通过永磁体与保护套之间采用过盈配合，便于补偿转子高速旋转时因为离心力所产生的拉应力。对转子强度进行的科学分析，是为了校验永磁体与护套之间所承受的应力是否在合理范围内，进而确定应该采取多大的过盈量，施加多大的预压力，以确保高速永磁电机的安全稳定运行。

永磁转子的具体结构尺寸，如图2所示。从图2中可以清楚的看到永磁体形状、护套形状均比较规则，可以结合弹性力学理论运用解析法对其应力进行具体分析。

注：rco-护套外半径；rci-护套内半径；rmo=-永磁体外半径；rmi-永磁体内半径；ps-永磁体预压力。图2 转子的结构尺寸图Fig.2 Rotor structure dimensions

在静应力作用下的强度计算分析：

将径向装配应力用如下公式表达：

将切向装配应力用如下公式表达：

将装配应力第四相当应力用如下公式表达：

在工作应力作用下的强度计算分析：

结合高速电机的实际转速与温度情况，可将工作过程中的永磁体径向装配应力用如下公式表达：

将工作过程中的永磁体切向装配应力用如下公式表达：

将工作过程中的永磁体旋转径向动应力用如下公式表达：

将工作过程中的永磁体旋转切向动应力用如下公式表达：

径向总应力应该为：

切向总应力应该为：

第四相当应力应该为：

3 结语

依据电机运行原理，采用解析法对高速永磁电机转子强度计算进行粗浅分析，并提出了高速永磁电机转子的结构设计思想，希望通过笔者的阐述，为广大同行在转子与轴承系统的动力学分析上提供有益参考，为高速永磁电机的研制与开发奠定坚实的基础。

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Design and strength calculation of high speed permanent magnet motor rotor

LI Xing-bo

(Jiamusi Electric Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Permanent magnet motor has the advantages of simple structure, high energy density, no excitation loss and high efficiency. It is most suitable for high speed motor. The analysis of the dynamics of the rotor and the bearing system can be used to analyze the safety and reliability of the high speed permanent magnet motor. Therefore, it is very important to make the design and strength calculation of high speed permanent magnet motor rotor.

High speed permanent magnet motor; Rotor design; Strength calculation

2017-05-25

李兴波(1986-)，男，本科，工程师。

TM336

A

1674-8646(2017)14-0028-02