高速永磁电机缠绕护套的强度分析

  高速永磁电机采用烧结钕铁硼永磁材料,烧结钕铁硼是一种类似于粉末冶金的永磁材料,能承受较大的压应力(约1000MPa),但不能承受大的拉应力,其抗拉强度低于抗压强度的十分之 一(一般≤80MPa),如果没有保护措施,永磁体无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力。

  目前,保护永磁体的措施有两种:一种保护方法是用采用碳纤维绑扎永磁体;另外一种是在永磁体外面加一高强度非导磁保护套。与采用非导磁钢保护套相比,碳纤维绑扎带的厚度要小,而且不产生高频涡流损耗。然而,碳纤维是热的不良导体,不利于永磁转子的散热。

  转子永磁体和护套的主要尺寸和材料属性为:永磁体外径为51mm,护套内径为50.74mm,它们之间的过盈量为0.26mm,转子强度分析的主要目的,是通过转子静止和转子高速旋转时的稳态应力分析,校验永磁体和护套是否能够承受所允许的应力,保证高速电机的安全运行。

  由于永磁体能够承受很大的压应力而不能承受较大的拉应力,永磁体和保护套之间可以采用大过盈配合,使永磁体静态承受一定的预压应力,转子高速旋转时,由于旋转应力产生的应变,永磁体和转子护套之间的过盈量将减少,而转子温度升高后,由于在热应力作用下,产生热应变,永磁体和转子护套的过盈量将进一步减少,累计减少量可以达到0.06~0.08mm,为了保证永磁体在60000r/min、150℃时仍承受50MPa左右的压应力,永磁体和护套之间必须采用大过盈配合,且过盈量必须经过准确的应力计算方能确定。

  通过计算得知,0℃、转子静止时,转子内表面承受的等效应力约为550MPa,转子内表面承受的等效应力约为780MPa。20℃、60000r/min时护套中的等效应力随着转子转速升高,离心力增加,转子承受的等效应力进一步增加,转子内表面承受的等效应力约为650MPa,转子内表面承受的等效应力约为900MPa。正常工作时,永磁体的温度必须低于150℃,设转子的转速为60000r/min,温度为150℃,转子内表面承受的等效应力约为450MPa, 转子内表面承受的等效应力约为610MPa。

  由于温升的影响,护套和永磁体之间的过盈量减少,护套中的等效应力减小了。因此,对护套来说,冷态旋转状态是护 套最危险的应力状态。冷态旋转状态时,护套的最大等效应力约为900MPa,小于护套的许用应力1170MPa,护套是安全的。 同时,150℃、60000r/min时,护套和永磁体之间的过盈量减少了,但护套内表面(半径为25.5mm)承受约57Pa的压应力。与护套内表面相接触的永磁体外表面(半径为25.5mm)也承受了57MPa的压应力,确保了永磁体的安全。永磁体和护套之间的过盈量选择较合理。

 

  阅读延伸:《碳纤维电机转子保护套的性能研究分析