高速永磁电机转子设计与强度分析
p=
δ
2 1 rmo rei [ ( 2 Em rmo 2 + rmi 2 − rmi 2 + r2 1 reo ( 2 ei −ν m ) + + ν e )] 2 Ee reo − rei
2
永磁转子的结构设计
2.1 转子外径的选取 对于高速永磁电机来说，永磁转子的设计要统
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第 15 期
王继强等： 高速永磁电机转子设计与强度分析
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筹考虑电磁和机械两方面的要求，即永磁转子需要 为定子绕组提供足够强的旋转磁场，同时永磁转子 本身又要能承受高速旋转产生的巨大离心力。 由于离心力与旋转速度的平方成正比，即与转 子半径的平方成正比，为了减少离心力，转子外径 应尽可能地小。然而，由于下述原因，转子外径不 能太小： （1） 为了产生需要的电磁转矩和输出功率， 转 子应该有足够的空间安装永磁体，而定子必须有足 够大的空间安放铁心和绕组。 （2） 转子应具有足够的刚度， 因而转子不能过 于细长，直径与长度需要有一个合适的比例。 2.2 电机极数的选取 高速电机的极数较少， 一般采用 2 极或 4 极。 2 极电机便于永磁体采用整体结构，以保证永磁转子 机械和电磁性能的对称性。同时 2 极电机定子铁心 磁场和绕组电流的频率仅为 4 极电机的一半，有利 于减少电机定子的铁耗和铜耗。2 极电机的主要缺 点是定子绕组的端部较长，同时所需要的定子铁心 轭部面积较大。 从电磁和机械两个方面综合考虑，特别是从转 子结构设计来看，采用 2 极方案比较有利。 2.3 永磁材料的选择 永磁体材料的性能在一定程度上决定了高速电 机的尺寸和性能。选择永磁材料时需要考虑： （1） 为了提高电机的力能密度和效率， 应该选 用剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积较大的永磁 材料。 （2） 永磁材料的退磁曲线在允许工作温度范围 内应该呈线性变化。为了保证永磁转子工作温度不 超过永磁体的退磁温度， 应选用耐高温的永磁材料。 由于永磁转子承受巨大的离心力，永磁材料的 机械性能也是选择时需要考虑的问题。综合技术要 求和材料成本，目前在高速永磁电机设计中，多选 用耐高温的烧结钕铁硼永磁材料。 2.4 永磁体的保护 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（1000MPa） ，但不能承受 大的拉应力，其抗拉强度一般低于抗压强度的十分 之一（＜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[3]。 保护永磁体的方法之一，是在永磁体外面加一 高强度非导磁保护套，永磁体与护套间采用过盈配 合。 另外一种保护方法是用采用碳纤维绑扎永磁体。
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[3,6,8]。 2.5 永磁转子的总体结构 基于上述诸方面考虑，本文采用了外加保护套 的高速电机永磁转子结构型式，如图 1 所示。
永磁体 保护套
转轴
图 1 一种高速永磁电机转子结构示意图 Fig. 1 A rotor structure of high speed permanent magnet machine
ABSTRACT: In this paper, the design features of high speed permanent magnet machines are introduced. More discussions are paid to the choice of permanent magnet (PM) material and rotor structure, determination of main rotor dimensions, and analysis method of rotor strength. Nowadays, the sintered neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B) material is used in most of PM machines. This kind of PM material has large compression strength but small tensile strength, and can not withstand the large centrifugal force due to the high rotation speed. A nonmagnetic steel enclosure is needed to cover the PM material. The tensile press of PM can be reduced by pre-pressure applied to the outer surface of the PM through shrink-fitting into the enclosure. The rotor strength analysis methods of high speed PM machine by means of analytical method as well as finite element analysis are introduced. As an example, the strength analysis results for a high speed PM machine with rated speed of 60000r/min are presented. KEY WORDS: Electric machinery; High speed; Permanent magnet machines; Rotor design; Strength analysis 摘要：文中介绍了高速永磁电机的设计特点，重点论述了永 磁材料和转子结构型式的选取、 主要尺寸的确定与转子强度 的分析和计算方法。 目前永磁电机多采用烧结钕铁硼永磁材 料，其抗压强度较大而抗拉强度很小，永磁体难以承受转子 高速旋转巨大离心力产生的拉应力， 必须在永磁体外设置高 强度非导磁防护套， 采用过盈配合给永磁体施加一定的预压 力。 文中介绍了采用解析法和数值分析有限元法进行高速永 磁电机转子强度分析的实用技术， 并给出了对一台额定转速 为 60000r/min 的高速电机永磁转子强度的分析计算结果。 关键词：电机；高速；永磁电机；转子设计；强度分析
高速永磁电机转子设计与强度分析
王继强，王凤翔，鲍文博，关恩录
（沈阳工业大学电气工程学院， 辽宁省 沈阳市 110023）
ROTOR DESIGN AND STRENGTH ANALYSIS OF HIGH SPEED PERMANENT MAGNET MACHINE
WANG Ji-qiang，WANG Feng-xiang，BAO Wen-bo，GUAN En-lu （School of Electric Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, Liaoning Province, China）
基金项目：国家自然科学基金项目（50437010） 。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50437010).
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引言
由电机运行原理可知，当转矩一定时，电机的 输出功率与转速成正比，也就是说，通过增加转速 可提高电机的输出功率。高速电机的应用领域越来 越为广泛，如高速磨床及其他加工机床，高速飞轮 储能系统，天然气管道中采用的离心压缩机和鼓风 机以及分析设备中的真空泵等。近来，用于分布式 供电系统的微型燃气轮机驱动高速发电机越来越受 到人们的关注。对于小型燃气轮机来说，由于不需 要驱动传统低速电机必须的减速器，不但提高了工 作效率，而且提高了可靠性[1-4]。永磁电机由于其结 构简单，力能密度高和无励磁损耗效率高等优点， 最适合用于高速电机[3-5]。 高速电动机和发电机的转速通常在 30000 r/min 以上,甚至超过 100000 r/min，定子齿和铁心中磁通 的变化频率超过 1kHz。 高速高频电机的设计与普通 低速低频的电机有很大的不同[6-9]。 转子与轴承系统 的动力学分析对高速电机的运行可靠性有着重要的 意义[10-14]。 转子设计是高速永磁电机设计的关键，主要考 虑的问题有：转子直径和长度的选取；永磁材料的 选择和采用的保护方式（永磁体不能承受高速旋转 时受到的巨大的离心力，必须采用一些高强度材料 来保护） ；转子的强度和刚度分析；轴承的设计（高 速电机不能采用普通的轴承而必须采用非接触式的 空气轴承或磁力轴承）等。本文着重论述转子强度 和永磁体的保护问题。
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中 国 电 机 工 程 学 报
第 25 卷
3.2 转子护套位移分析 （1）静态过盈量 静态过盈量即装配过盈量，为永磁体外半径与 护套内半径之差 δ s = rmo − rei （2）旋转位移及旋转静过盈量 由于旋转离心力的作用，永磁体及护套均产生 径向位移，其位移分别为 2 3 Be ρe (1 − ve )ω 2 rei − ud ,ei = Ae rei + rei 8Ee 2 2 2 A = (3 + ve )(1 − ve )( rei + reo ) ρeω e 8Ee 2 2 (3 + ve )(1 + ve )rei reo ρeω 2 B = e 8Ee 2 3 )ω 2 rmo Bm ρm (1 − vm u A r = + − m mo d ,mo 8 Em rmo 2 2 (3 + vm )(1 − vm )( rmi ) ρmω 2 + rmo Am = 8 Em 2 2 (3 + vm )(1 + vm )rmi rmo ρ mω 2 B = m 8 Em (1)
基于ANSYS的高速表贴式永磁电机转子强度分析
基于ＡＮＳＹＳ的高速表贴式永磁电机转子强度分析张 萌，韩雪岩，杨 毅（沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，辽宁沈阳１１０８７０）摘 要：对于表贴式转子结构的高速永磁同步电机，其转子在高速运行时会承受相当大的拉应力，为保证高速电机安全稳定运行，通常会在永磁体外加一层护套，并采用过盈配合对表贴式永磁体施加预压力，该护套采用不导磁合金材料，在有效保护永磁体的同时不影响电机的磁路。
首先在理论层面对表贴式高速永磁电机转子进行强度分析，然后通过ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对一台２４ｋＷ、２００００ｒ／ｍｉｎ的表贴式高速永磁电机转子进行有限元仿真，对比了不同静态过盈量、合金护套厚度、材料温度特性等因素对转子强度的影响，同时校核了该模型护套及永磁体的强度，并对高速永磁电机转子机械设计规律进行了总结。
关键词：高速永磁电机；转子强度；有限元分析；过盈配合中图分类号：ＴＭ３４１Ｒｏｔｏｒ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔｅｄ ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ＳｏｆｔｗａｒｅＺＨＡＮＧ Ｍｅｎｇ，ＨＡＮ Ｘｕｅｙａｎ，ＹＡＮＧ Ｙｉ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ ＲＥＰＭ Ｍａｃｈｉｎｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０８７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｒｏｔｏｒ ｓｔｒｕｃ－ｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｗｉｌｌ ｂｅａｒ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｕｒｉｎｇ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｏｐ－ｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ，ａ ｓｈｅａｔｈ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ，ａｎｄｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘｅｒｔ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒｅ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ．Ｔｈｅ ｓｈｅａｔｈ ｉｓ ｍａｄｅ ｏｆ ｎｏｎ－ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｌ－ｌｏｙ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｗｈｉｌｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｉｔ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｏｆ ａ ２４ｋＷ ａｎｄ２００００ｒ／ｍｉｎ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ａｌｌｏｙ ｓｈｅａｔｈ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｎ ｒｏｔｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｍｅａｎ－ｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｈｅａｔｈ ａｎｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ａｒｅ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ ｒｏｔｏｒ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ；ｒｏｔｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ收稿日期：２０１８－０８－０６作者简介：张萌（１９９４－），硕士研究生，研究方向为高速永磁同步电机的设计分析；韩雪岩（１９７８－），博士生导师，教授，研究方向为特种电机及其控制；杨毅（１９９２－），硕士研究生，研究方向为高速永磁电机热应力计算与机械特性的分析。
考虑轴间填充物的高速永磁电机转子强度分析
第 33 卷第 5 期
刘 威等 考虑轴间填充物的高速永磁电机转子强度分析
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0 引言
表 贴 式 高 速 永 磁 电 机 具 有 转 速 高 、功 率 密 度 大 等 特 点 ，其 转 子 强 度 问 题 一 直 是 制 约 其 发 展 的 重 要 问题[1-3]。首先，高速永磁电机转子的转速一般在 10 000 r/min 以上，由于巨大的离心力作用使普通电 机的转子无法满足运转的要求，需要采用高强度的 转子结构。其次，永磁电机的永磁体抗拉强度较小， 无法承受转子高速旋转带来的巨大的拉应力，必须 采取有效的保护措施[4-6]。一般的保护措施采用碳纤 维保护套和非导磁合金保护套两种材料[7-9]。采用非 导磁合金保护套时所需的永磁体和保护套的厚度较 大，且易产生高频涡流损耗，这易使永磁体因为高 温产生退磁。高强度的碳纤维保护套采用捆扎的方 法进行装配，所需保护套的厚度较小，但其散热性 差，装配实现所需求的预紧力比较困难[10,11]。
2018 年 3 月 第 33 卷第 5 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI：10.19595/ki.1000-6753.tces.161989
Vol.33间填充物的高速永磁电机 转子强度分析
Abstract Considering the analysis of rotor strength of high speed permanent magnet (PM) machine in high speed and temperature condition, this paper proposes a novel rotor model with filler between the permanent magnets and the shaft. Based on the classical theory of thick-walled cylinder, the analytical expressions of the rotor strength are deduced, and the tangential and radial stresses of each part are also deduced. Compared with the finite element stress analysis, the results are similar with it and the correctness of the analytical method is verified. The tangential stress of the permanent magnet has been one of the key factors in the damage of the high-speed permanent magnet machine. Considering the intershaft filling, the tangential stress of the permanent magnet of the machine rotor model is 6.1% less than the stress that does not take into account the inter-shaft filling model, while the stress difference in other regions is small. The rotor structure model based on the inter-shaft filling provides a new idea for analyzing the thermal strength of the rotor of the surface mounted high speed permanent magnet machine.
基于热固耦合的高速永磁电动机转子强度分析
第22卷第5期2021年5月电气技术Electrical EngineeringV ol.22 No.5May 2021基于热固耦合的高速永磁电动机转子强度分析刘壮韩雪岩高俊（沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，沈阳 110870）摘要表贴式永磁电动机在高速运行时，转子受到的冲击大、温度高，为了保证高温高速转子的运行强度，需要对转子进行考虑温度场的强度校核。
本文基于三维温度场采用热固耦合的方法对高速永磁电动机转子强度进行分析，对比冷态与工作温度下的应力分布变化，得出高速永磁电动机必须考虑温升对转子强度影响的结论。
进一步考虑过盈量、护套厚度、永磁体分段对转子热态强度的影响，得出该永磁电动机满足高速高温条件下的转子各部件尺寸，为该类高速永磁电动机的设计提供可靠依据。
关键词：高速电动机；永磁；护套；强度分析；热固耦合Strength analysis of high-speed permanent magnet motor rotor based onthermo-solid couplingLIU Zhuang HAN Xueyan GAO jun(National Engineering Research Center for REPM Machine, Shenyang University of Technology,Shenyang 110870)Abstract When the high-speed surface-mount permanent magnet motor is running at high speed, the rotor is subject to large impact and high temperature. In order to ensure the operating strength of the high-temperature high-speed rotor, it is necessary to check the strength of the rotor considering the temperature field. Based on the 3D temperature field, the thermal-solid coupling method is used to analyze the rotor strength of the high-speed permanent magnet motor, and the stress distribution changes under the cold state and operating temperature are compared. It is concluded that the high-speed permanent magnet motor must consider the influence of temperature rise on the rotor strength. At the same time, further considering the influence of interference, sleeve thickness, and segmentation on the thermal strength of the rotor, it is concluded that the permanent magnet motor meets the size of the rotor components under high-speed and high-temperature conditions, which provides a reliable basis for the design of this type of high-speed permanent magnet motor.Keywords：high-speed motor; permanent magnet; sleeve; strength analysis; thermo-solid coupling0引言高速永磁电动机具有体积小、功率密度高、效率高等优点[1-2]，在航空航天、储能飞轮、高速机床等领域被广泛应用[3-5]。
高速永磁电机设计与分析技术综述
高速永磁电机设计与分析技术综述摘要：随着科学技术的发展，高速永磁电机在工业上的应用得到了一定程度的重视。
相较于普通电机，高速永磁电机的设计虽然仍需遵循基本的电磁原理，但是由于其具有体积小和转速高等多方面的特点，所以就需要解决高转速为其带来的一系列问题。
而就目前而言，高速永磁电机的设计技术的核心是电机转子和定子的设计，而电机分析技术的核心是对电机损耗、转子强度和温升计算的分析。
基于此，本文主要对高速永磁电机设计与分析技术进行分析探讨。
关键词：高速永磁电机；设计；分析技术综述1、前言与传统电机相比，高速电机无需借助复杂的、维护困难的变速装置，可直接与高速负载或原动机相连，具有功率密度高、体积小、效率高、可靠性高、运行成本低的优点，因此在高速机床、鼓风机、压缩机、透平式膨胀机、微型燃气轮机等领域具有广阔的应用前景，得到了广泛关注。
永磁直流电机、绕线直流电机、实心转子异步电机、线绕转子同步电机、感应子电机、开关磁阻电机等均可应用于高速场合。
2、高速永磁电机设计技术综述2.1电机转子设计在高速永磁电机运行的过程中，转子会进行高速的旋转。
所以，伴随着电机的运转，因旋转产生强大的离心力需要转子具有更高的强度，而因摩擦产生的高温也容易对转子转轴和轴承的结构进行破坏。
所以，想要保证电机的稳定运行，就需要使转子在具有一定的强度的同时，具有低损耗和耐高温的特性。
而想要达成这些目的，就需要从转子的材料和结构的设计上来进行考量。
一方面，在材料设计上，现在通常使用的都是具有较高矫顽力的铁氧体或者稀土永磁材料。
而之所以选择这种材料，首先是因为材料本身具有较小的温度系数，可以在高温时维持转子的稳定的转矩特性。
其次，该种材料还能适应较高的温度下的较小的材料尺寸的变化，从而可以用于温度较高的场合而能够保持机械结构的可靠性。
再者，该种材料具有较强的抗压性和抗挠强度，可以承受因高速运转产生的较高一定的离心力。
但是值得注意的是，该种材料的抗拉强度非常低，因此需要采用一定的结构设计进行材料的保护。
探讨高速永磁电机设计与分析技术
探讨高速永磁电机设计与分析技术高速永磁电机是一种应用非常广泛的电机类型，在诸如风力发电、电动车、机床等领域中都占有重要位置。
随着科技不断发展，高速永磁电机的设计与分析技术也得到了不断升级，以下将对其进行探讨。
首先，高速永磁电机的设计需要确定其电磁参数、机械参数以及结构参数。
其中，电磁参数包括磁极数、永磁材料、定子铜线圈的匝数和电流等，机械参数则包括转子质量、惯量、转子轴径、轴承等，结构参数则涉及到电机的整体尺寸、形状等。
在确定这些参数时，需要考虑到电机的使用环境、工作条件、输出功率需求等因素，最终目的是实现电机的高效、高性能工作。
⊙电磁参数的设计对于永磁电机来说，永磁体是其核心部件之一。
永磁材料的选择和使用直接影响到电机的性能指标和使用寿命。
常见的永磁材料有NdFeB、SmCo等。
选用合适的永磁材料和合理的磁路设计可以大大提高电机的磁通密度和磁能积，从而使电机具有更高的输出功率和效率。
⊙机械参数的设计在高速永磁电机中，转子是一个非常重要的部分。
转子的惯性、重量、转子轴径等参数都会影响电机的性能。
一般情况下，为了提高电机的高速性能，需要选用轻量化的转子材料和合适的转子形状。
同时，在转子轴承的选择和设计上也需要注意，采用合适的轴承可以降低电机的轴承摩擦力，从而减少摩擦损失和热损失，提高电机的效率。
⊙结构参数的设计电机的结构参数主要涉及到整体尺寸、形状等。
在具体设计过程中，需要根据电机的工作要求和实际应用需求来确定电机的最佳尺寸和形状。
在决定电机形状时，需要考虑到散热、轴向板的选型和机壳制造工艺等因素，以确保电机在长期高速运转过程中不会过热或受到机械损坏。
设计过程中，还需要利用先进的仿真技术来进行分析和验证。
在设计与分析等过程中，应用CAD、CAE等技术可以帮助工程师更加精确的设计出符合要求的高速永磁电机。
最后，需要注意的是，高速永磁电机的设计与分析技术目前仍在不断发展中。
因此，可以利用模拟软件进行详细的仿真与模拟，以衡量电机的性能和寿命。
内置式高速永磁电机转子强度分析
工程技术DOI：10.16660/ki.1674-098X.2011-5640-6249内置式高速永磁电机转子强度分析赵亮（国能宝日希勒能源有限公司 内蒙古呼伦贝尔 021500）摘 要：内置式高速永磁电机转子在高速运行时，因受到巨大离心力的作用，极易受到损坏。
针对该问题借助有限元软件对“一”字型径向充磁内置式永磁电机转子进行了强度仿真分析。
提出了一种永磁体“一”字型分段内置式转子结构，通过计算不同加强筋数量时转子所受的最大应力，总结出加强筋数量对转子机械性能的影响规律，通过结果对比得出永磁体周向分段结构能有效减小转子所受应力的最大值，对高速内置式永磁转子设计具有一定的指导意义。
关键词：内置式永磁电机 强度分析 加强筋 有限元分析中图分类号：TM355 文献标识码：A文章编号：1674-098X(2021)05(a)-0055-04Mechanical Strength Analysis of High Speed Interior PermanentMagnet Synchronous MotorZHAO Liang(Guoneng Baorixile Energy Corporation, Hulunbeier, Inner Mongolia Autonomous Region, 021500 China)Abstract : The rotor of the interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) is easily damaged due to the huge centrifugal force during high-speed operation. In order to solve this problem, the strength analysis of the rotor of the IPMSM with radial magnetization is carried out by the f inite element analysis. In this paper, a "一" shaped segmented interior permanent magnet rotor structure is proposed. By calculating the maximum stress of the rotor with different number of stiffeners, the inf luence of the number of stiffeners on the mechanical properties of the rotor is summarized. Through the comparison of the results, it is concluded that the circumferential segmented structure of permanent magnet can effectively reduce the maximum stress on the rotor, which has a certain value for the design of high-speed built-in permanent magnet rotor guiding signif icance.Key Words : IPMSM; Strength analysis; Stiffener; Finite element analysis作者简介：赵亮（1972—），女，本科，高级工程师，研究方向为电气自动化。
高速永磁电机转子强度分析与护套设计
高速永磁电机转子强度分析与护套设计摘要：由于其功率密度大，效率高，在离心压缩机和飞轮储能等方面得到了广泛的应用。
高速电动机在工作过程中，转子零件承受着很大的离心力，为了确保永磁的安全性，通常会使用带有转子套的平板型永磁转子。
常用的转子护层材料有两种，一种是高强度的金属材料（例如钛合金， Inconel合金），另一种是高强度的复合材料（例如碳纤维，玻璃纤维，芳纶纤维），它们之间的物理特性存在着较大的区别：金属护层具有较好的导电性能，并且在护层内存在较大的涡流损失，但是它的热传导系数较高，并且转子易于散失热量。
纤维外套的导热系数非常低，在外套内没有任何的漩涡，也没有任何的损失。
在此基础上，研究了不同的包层材料对转子磁通损失和温升的影响。
关键词：高速永磁电机；转子强度；护套设计1高速永磁电机设计技术1.1电机磁悬浮技术目前，在电机中普遍使用的是机械式轴承，存在着较大的摩擦力和较高的功耗等缺点。
在此基础上，提出了一种新型的无接触式永磁电动机轴承。
采用该轴承延长了电动机的寿命，并将逐渐向高速电动机中推广。
1.2电机定子的设计定子对电机的散热起到了很大的作用，因此在设计电动机时，对其进行合理的选择是一个很关键的工作。
当前，大部分的定子都是环状绕组，它可以极大地减小电动机的轴向要求，提高转子的韧性。
在此基础上，提出了一系列的凹槽，以提供部分的散热器，使其始终保持在恒温状态。
应指出，当马达在高速运行时，有凹槽现象，会加大马达的损耗。
为了降低这个损失，一般这样的马达都要延长空气间隙来冷却热量。
在材质的选择上，为了减小铁心上的滞后损失，通常会使用0.2 mm以下的普通硅钢。
1.3电机转子的设计从永磁电机的工作原理可以看出，在电磁效应的影响下，转子将处于高速转动状态，并且两个转子之间的速度非常迅速，将会产生很大的离心力，对转子的强度有很高的要求。
而且，在高温下，电动机的转子极易受到损伤，从而对电动机的正常工作造成很大的影响。
基于有限元法的高速永磁转子强度分析
[
r2 r2 i o 1 + 2 2 r2 － r r o i
(
)]
－1
。
}
（ 2）
第6 期
张
涛等： 基于有限元法的高速永磁转子强度分析
65
式中： E 为弹性模量； r 为转子中任一点到转子轴线 r o 分别为护套内半径和外半径。 的距离； r i ， 护套较薄， 热膨胀可忽略不计。 铁心和永磁体 考虑铁心和永磁体热膨胀， 的热膨胀系数基本相同， 则由热膨胀产生的径向位移为 Δd = αΔTR a 。 式中： α 为热膨胀系数； ΔT 为温升。 由转子高速旋转引起的附加切向应力和附加接 触压强为 2 2 2 σ ω （ r） = 0. 412 5 ρ b ω max （ 0. 424 r + 2 r o ） ， p ω = r b ρ b ω2 max h b 。 （ 3）
1 100 MPa； 同 时 转 子 永 磁 体 受 到 的 剩 余 压 强 为 11. 7 MPa， 满足转子稳定运行的机械条件。 采用接触有限元法对上述设计方法进行验证， 分析结果如图 3 所示。图 3 （ a） 为最高转速时， 由离 在护套内缘表面应力最 心力引起的护套应力分布， 大， σ ω 达 到 103 MPa； 图 3 （ b ） 为 ΔD = 0. 13 mm， ΔT = 130 ℃ 时的护套应力分布， 约为 487 MPa， 有限 元分析结果与理论计算结果一致 。
中图分类号： TM 341 文献标志码： A 文章编号： 1007－ 449X（ 2012 ） 06－ 0063－ 06
Strength analysis on highspeed permanent magnet rotor using finite element method
高速永磁电机设计与分析技术综述
高速永磁电机设计与分析技术综述一、概述高速永磁电机，作为现代电机技术的杰出代表，正以其高效率、高功率密度以及优秀的控制性能，在多个领域展现出广阔的应用前景。
随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，对高速永磁电机设计与分析技术的研究显得尤为重要。
本文旨在对高速永磁电机的设计与分析技术进行综述，以期为相关领域的研究者提供全面的技术参考和启发。
高速永磁电机的设计涉及电磁设计、结构设计、热设计、强度设计等多个方面，其关键在于如何在高速运转的条件下保证电机的性能稳定、安全可靠。
电磁设计方面，需要优化绕组布局、磁路设计以及永磁体的选择，以提高电机的效率和功率因数。
结构设计则着重于提高电机的刚性和强度，防止在高速运转时产生过大的振动和噪声。
热设计则关注电机内部的热传递和散热问题，防止电机因过热而损坏。
强度设计则要求电机在承受高速运转产生的离心力时，能够保持结构的完整性。
高速永磁电机的分析技术则涵盖了电磁场分析、热分析、结构分析等多个方面。
电磁场分析可以预测电机的电磁性能，为优化设计提供依据。
热分析则用于评估电机在不同工况下的热状态，为散热设计提供参考。
结构分析则关注电机在高速运转时的动态特性，为强度设计提供支撑。
随着计算机技术和数值分析方法的快速发展，高速永磁电机的设计与分析技术也在不断进步。
通过采用先进的电磁仿真软件、热仿真软件以及结构仿真软件，可以更加精确地预测电机的性能，为设计优化提供有力支持。
1. 高速永磁电机的定义与重要性高速永磁电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor, HSPMSM）是一种特殊类型的电机，其核心特点在于使用永磁体来产生磁场，以及能够在高转速下稳定运行。
与传统的电励磁电机相比，HSPMSM具有更高的功率密度、更高的效率以及更低的维护成本，因此在许多现代工业应用领域中具有显著的优势。
HSPMSM的重要性体现在以下几个方面：随着全球能源危机的日益加剧和环境保护需求的不断提升，节能减排、提高能源利用效率已成为工业生产中的重要目标。
高速永磁电机转子设计与强度分析
高速电机采用 2 极结构。永磁材料选用耐高温 （工作温度≦180℃） 高性能烧结钕铁硼。 永磁体采 用整体结构，以保证电磁与机械特性的对称性。永 磁转子的直径和长度， 根据电机的额定转速和功率， 经过对电磁和机械性能的优化设计后确定。
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转子强度分析
3.1 转子强度分析的目的 转子强度分析的主要目的，是通过静态和高速 旋转时动态的应力分析，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需要采用过盈配合， 使永磁体静态承受一定的压应力，补偿高速旋转时 离心力产生的拉应力，使永磁体承受的拉应力在材 料所许可的范围之内。需要给永磁体施加多大的预 压力， 永磁体和保护套之间需要采用多大的过盈量， 是转子强度分析所要解决的问题。 永磁转子的结构尺寸如图 2 所示。 由图 2 可看出， 永磁体和护套的形状比较规则， 可根据弹性力学理论采用解析法进行应力分析[3]。
基金项目：国家自然科学基金项目（50437010） 。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50437010).
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引言
由电机运行原理可知，当转矩一定时，电机的 输出功率与转速成正比，也就是说，通过增加转速 可提高电机的输出功率。高速电机的应用领域越来 越为广泛，如高速磨床及其他加工机床，高速飞轮 储能系统，天然气管道中采用的离心压缩机和鼓风 机以及分析设备中的真空泵等。近来，用于分布式 供电系统的微型燃气轮机驱动高速发电机越来越受 到人们的关注。对于小型燃气轮机来说，由于不需 要驱动传统低速电机必须的减速器，不但提高了工 作效率，而且提高了可靠性[1-4]。永磁电机由于其结 构简单，力能密度高和无励磁损耗效率高等优点， 最适合用于高速电机[3-5]。 高速电动机和发电机的转速通常在 30000 r/min 以上,甚至超过 100000 r/min，定子齿和铁心中磁通 的变化频率超过 1kHz。 高速高频电机的设计与普通 低速低频的电机有很大的不同[6-9]。 转子与轴承系统 的动力学分析对高速电机的运行可靠性有着重要的 意义[10-14]。 转子设计是高速永磁电机设计的关键，主要考 虑的问题有：转子直径和长度的选取；永磁材料的 选择和采用的保护方式（永磁体不能承受高速旋转 时受到的巨大的离心力，必须采用一些高强度材料 来保护） ；转子的强度和刚度分析；轴承的设计（高 速电机不能采用普通的轴承而必须采用非接触式的 空气轴承或磁力轴承）等。本文着重论述转子强度 和永磁体的保护问题。