制冷离心机用高速永磁电动机转子强度设计

针对离心机用高速永磁电动机转子强度分析问题, 基于弹塑性力学理论, 推导了高速转子强度设计的解析表达式, 给出明确的应力评判准则;同时在过盈量计算过程中, 考虑温度因素影响, 研究一套有效的高速转子过盈量计算和护套最小厚度计算方法。以一台额定转速40 000 r/min的永磁同步电机为分析对象, 采用解析法和有限元法分别计算了合金护套、永磁体的径向应力、切向应力和等效应力, 两种方法的计算结果最大偏差在2%以内, 满足工程应用要求。超速试验结果表明, 根据该方法设计的高速永磁转子具有足够的机械强度。

高速电机转子合金护套与磁钢的两端不封闭, 沿轴向长度方向的轴向力非常小, 可以视为轴向应力为零, 设计时将三个方向应力状态变为两方向应力状态。基于厚壁圆筒的过盈联结计算理论, 结合拉梅公式, 进行合金护套与磁钢的过盈设计。图1为转子拓扑结构, rm为磁钢内圆半径, rs为保护套外圆半径, rf为结合面半径。

基于一台40 000r/min的高速永磁电动机, 进行了详细的理论推导和仿真实验研究, 可得出以下结论:

1) 采用解析法和有限元法计算磁钢和护套的各种应力均有较高的一致性, 而在沿轴向位置, 两种方法计算结果有一定偏差, 最大偏差在2%以内, 满足工程计算要求, 可以忽略;

2) 考虑温度因素影响, 提出一套有效的高速转子过盈量计算方法, 即在该计算过程中加入温度补偿环节, 通过迭代计算便可直接输出装配过盈量;

3) 给出该类高速转子护套和磁钢的应力评判准则, 并给出护套最小厚度的设计方法, 为电磁、结构综合优化提供依据。