离心力作用下电机转子强度仿真分析
高速转子离心力及其效应的仿真与分析
转 子两 端 的转 轴 与转 子 内铷 铁 硼永 磁 材料 制 成 。 产 生动不平 衡 的因素 很多 ， 如加 工制造 、 装配 和工 作过
程中的各个环节上 的误差 ， 都有可能造成转子系统 的 不平 衡 。图 １ 为高 速旋转 下转 子不平 衡 的示意 图 。
图 ２ 转 子 系统的有 限元网络 图 １ 转 子 系统的三 维有 限元 分析 ． ３
１１ 转子 系统 不平衡 量分析 ．
出 。图 ２ 给出 了离心力 与转 子转速和转子系统不平衡量 的关 系。 由式 （） 图 ２ 以看 出 ， 心力 的大 小 与转 子转 １和 可 离 速 的平 方成 正 比关 系 ， 在不 平衡 量一定 时 ， 离心力 随转 速 的提 高增 加 速度 比较 快 ； 离心 力 的 大小 也与 转 子 的 不平衡量成正比关系 ， 因此 ， 尽量减小不平衡量也是减 小 离心 力 的一种 有效途 径之 一 ， 就对 转子 在加工 、 这 装 配等方 面提 出 了更高 的要求 。
Ｆ ＝ｍｅ） ×１ 一 ＝【 （ ）×１ （ ／ 。 ０ ， 。 ０ ． （１ １
１ ． 转子 系统有 限元 模型 ．１ ３ 根据转子的结构特点 ， 采用 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 中三维实体单 元 Ｓ Ｌ Ｄ ５ 转 子 系统 模 型 进 行 自由网格 划 分 ， Ｏ Ｉ４ 对 其有 限元 网格 划分 图如 图 ２ 所示 。 转 子 系统 钛 金 属 材 料 的密 度 为 ４５ ０ｋ／ 泊松 ０ ｇｍ ， 比为 ０３ ， ．３ 弹性 模 量 为 １ ｘ ０ Ｐ ； 磁 体材 料 的 密度 ． １” ａ永 ５ ７４ ０ｋ ／ 泊 松 比为 ０２ ， 性 模 量 为 Ｉ ｘ ０ Ｐ 。 ０ ｇ ， ｍ ． 弹 ４ ． ” ａ ５ １ 不 平 衡 量 和 离心 力 一样 ， 是按 ２ 周 期 变化 的 ， 有 都 订 具 相 同的方 向矢量 。 １ ． 转子变 形量 分析 ．２ ３ 在 高速 旋转 时 ， 由于转 子材料 的弹塑性性 能 的影 响， 转子 会在 离心力 的作 用下 发生 微小 的变形 。 利用 Ａ Ｓ 中映射 结果 指定 路径 输 出功 能 ， Ｎ ＹＳ 在 ０ 上 映射 转 子 的径 向变 形 量 环 向变 形 量 、 向 面 轴
异步立式电机振动原因分析及解决方法
异步立式电机振动原因分析及解决方法张秀菊【摘要】结合异步立式电机制造过程中存在的振动问题,阐述了产生振动的原因,分别对电磁振动和机械振动进行了分析并提出了解决方法,通过利用有限元软件,验证了仿真结果的精确.【期刊名称】《上海大中型电机》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】4页(P31-34)【关键词】异步立式电机;振动;有限元;ANSYS【作者】张秀菊【作者单位】上海电气集团上海电机厂有限公司,上海200240【正文语种】中文0 引言某16P异步立式水泵电机上、下轴承均采用滑动轴承结构，在制造过程中存在振动问题，空载时振速达到4.3～5.3 mm/s，而国家标准为2.3 mm/s，该数据已远超国家标准。
生产制造过程中类似的问题频繁出现，因此针对该问题，有必要找出原因并解决。
一般而言，立式电机振动产生的原因与卧式电机类似，但是由于立式电机自身结构不同，更容易出现振动现象。
立式电机结构如图1所示。
立式电机一般为细长结构，轴承为一个推力轴承加上、下两个导轴承，连接水泵后要承受水泵产生的拉力，从而导致系统稳定性变差，容易产生振动问题。
1 异步立式电机电磁振动及解决方法1.1 异步电机电磁振动原因1.1.1 气隙磁场产生的径向力异步电机的磁场是一个旋转的力波，它的径向力波使定子和转子发生径向变形和周期性振动产生电磁噪声。
异步电机的电磁振动是由电机交变气隙磁场作用于电机的铁心产生的交变电磁力所激发。
电磁力在定子铁心齿上可分解为径向分量和切向分量，径向分量使定子铁心产生振动变形是电磁噪声的主要来源，切向分量是与电磁转矩相对应的作用力矩，它使齿对根部产生弯曲，并产生局部的振动变形，是电磁噪声的次要来源。
当电动机定、转子铁心因生产加工等原因造成气隙不均匀时还会产生单边磁拉力，从而也会引发电机的电磁振动。
图1 立式电机基本结构从振动的角度来看，需分析径向电磁力。
应注意以下各项：(1) 基波磁场产生的径向电磁力[1+cos2(pθ-ω1t-Φ0)]=p0+p1(1)[1]式中：p0为径向力不变部分；p1为径向力交变部分。
离心机转子力学性能的有限元分析及测试
离心机转子力学性能的有限元分析及测试离心机转子的力学性能是影响其工作性能的关键因素之一，因此，对转子的力学性能进行分析和测试是十分必要的。
本文将阐述如何使用有限元分析和测试来评估转子的力学性能。
首先，我们将介绍使用有限元分析来评估转子的力学性能。
有限元分析是一种数值分析方法，可以用来模拟结构的力学行为。
首先，我们需要建立转子的有限元模型，其中包括转子的几何结构、材料属性和载荷条件。
然后，使用相应的有限元软件计算模型中的应力应变场状态，以获得模型的力学性能。
其次，我们将介绍如何使用实验来测试转子的力学性能。
可以通过分析转子的形状、表面粗糙度、几何尺寸等来测量转子的几何结构参数，以及测量转子表面的硬度和润滑性。
还可以通过测量转子在不同负载和转速下的变形和剪切变形，以及测量转子绝热、热扩散等特性，来评估转子的力学性能。
综上所述，有限元分析和实验测试都可以用来评估转子的力学性能。
在实践过程中，两种方法可以相互补充，可以获得更完整准确的转子力学性能评估结果。
同时，在分析和测试转子的力学性能时，应考虑转子的动力学特性，以便有效地改善其工作效率。
总之，有限元分析和测试可以有效地评估转子的力学性能，为提高转子的工作效率提供有价值的参考依据。
因此，离心机制造商应该积极开展相关的有限元分析和实验测试，以提高转子的力学性能和工作效率。
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。
大中型高压高速电动机转轴静力学仿真分析
对单边磁拉力的计算分别采用分析法和有限元法，并针对带有轴向通风槽的转轴挠度进行计算。然 通过
ANSYS Workbench有限元
对转轴进行静力学 分析。
计算精度的基 ， 用分析法。
这为高压高速电动机单边磁拉力和转轴的静力学分析 了参考。
关键词：高压高速电动机；单边磁拉力；转轴；静力学分析
中图分类号：TM 301.4 文献标志码：A 文章编号：1673-6540(2019)07-0062-05
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电机与披制应用2019,46 (7)
研究与设计I EMCA
分析。 本文以10 kV-3 000 kW-2极高压高速电动机
为例，通过ANSYS Maxwell 2D有限元 对高压 高速电动机单边磁拉力进行有限元 分析,并 对带有轴向通风槽的转轴挠度进行计算 。通 ANSYS Workbench有限元 平台对转轴进行静 力学 分析，简 了高压高速电动机转轴静力 学分析方法,计算结果较为准确&
进
技术 ，国高压高速电机设计技术与制造工
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度、动
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大、 转速高, 通
采用滑动轴承'4一&]。
工和安装 ，转子
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,转轴材料为45号钢，弹性
模量取值为2X1011 Px ；
电机转子无纬带绑扎的可靠性分析
—70—工作研究电 机转子无纬带 绑扎的可靠 性 分析魏尚武 冯翠萍 王 鑫（中车永济电机有限公司，山西 运城 044502）摘 要：分析了绑扎带在静态和动态受力的情况后，提出了绑带工艺和设计参数，对绑带的可靠性进行了分析，并提出了提高可靠性的措施。
关键词：电 机 转 子；无 纬 带引言直流电机电枢线圈的端部和槽部以及绕线型异步电机转子线圈端部采用无纬带绑扎固定结构在国内普遍应用。
如何选用绑带尺寸和工艺参数才能保证使用安全是电机设计制造中不可忽视的可靠性问题之一。
绑扎无纬带与绑扎钢丝应有同样的要求，就是绑扎时加一定的预紧力，要求在电机允许的 最高转速的离心力 作用下 ，当绑扎弹性变形加大时，被绑物仍存在弹性变形，也就是被绑扎线圈仍保留部分预紧力，而且剩余的这部分预紧力能经受电机过载力矩切向力的作用保证线圈不发生位移。
所以绑扎时的预紧力（拉力）是一个主要的工艺参数。
当然，绑扎时施加的预紧力除考虑上述要求外，还必须与绑带材料的断裂强度之间留有足够的安全系数，以免在电机运转或其他情况下绑带产生断裂。
1.绑扎无纬带受力分析1.1 电机静止时绑扎无纬带的预紧力绑带施加拉力q ，绑扎n 匝时切向总拉力Q=nq由于绑带的回松和固化等影响，初拉力将损失一部分，剩余的总拉力Q ′=K r Q=K r nq对于线圈端部的绑扎取K r =0.75绑带对被绑扎物的径向压力为F=2πQ ′=2πK r nqE 1，截面为A ，半径为R ，则绑环周向拉力Q B绑环径向涨大σF =绑环径向变形系数K 1=FFσ=被绑扎物的径向变形系数K 2=FF'σ式中σ′F —被扎物压指变形在预紧力作用下，绑带和被扎物产生弹性变形，形成弹性平衡。
1.2 电机旋转时的受力分析电机旋转时，被扎物产生离心力（不计绑带离心力），绑带上受到预紧力和离心力同时作用，但此时的预紧力，由于绑带弹性变形加大和被扎物压缩量减小，已经由F 减小到F ′。
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。
永磁交流电机转子拓扑结构对比分析与优化设计
永磁交流电机转子拓扑结构对比分析与优化设计发布时间：2023-02-20T08:45:32.039Z 来源：《科学与技术》2022年19期作者：王浩亮俞志君张学军[导读] 近年来由于控制技术的进步，内置式转子磁路结构的电机产品逐步出现，由于内置式转子结构可以充分利用转子磁路不对称所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，使得电机的动态性能较表贴式转子结构有所改善，具有较大的应用意义且其制造工艺更为简单，尽管漏磁系数和加工成本会有一定的增大。
王浩亮俞志君张学军江苏远东电机制造有限公司江苏泰州 225500摘要：随着我国伺服电机技术的迅猛发展，在永磁电机开发过程中，表贴式永磁电机因其具有更好的控制性能得到了广泛的应用；近年来由于控制技术的进步，内置式转子磁路结构的电机产品逐步出现，由于内置式转子结构可以充分利用转子磁路不对称所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，使得电机的动态性能较表贴式转子结构有所改善，具有较大的应用意义且其制造工艺更为简单，尽管漏磁系数和加工成本会有一定的增大。
那么在现有表贴式永磁电机的基础上，主要通过改变转子磁路结构，微调定子结构，由表贴式改为内嵌切向式转子结构，以探索和获得内嵌式永磁伺服电机性能变化。
关键词：表贴式永磁电机；磁阻转矩；内嵌切向式结构；性能变化0 引言根据转子上永磁体放置的位置不同，永磁电机的转子结构可以分为表贴式和内置式；永磁电机具有高功率密度、高转矩、低损耗等优点，其采用钕铁硼等强磁材料励磁，不需要外界能量即可维持其磁场，永磁电机没有转子损耗，由于其功率因数高、运行电流低、总损耗小等，其在运动控制、节能方面等方面得到了越来越多的应用；本文以一台4极15.7kW油压机用表贴式永磁伺服电机为参照，利用该电机定转子等尺寸建立二维有限元仿真模型，开展相关计算；基于电机材料通用性考虑，定子外圆尺寸保持一致，开展内嵌式伺服电机的设计，电机叠厚不大于表贴式参数，获得内嵌式伺服电机仿真数据；转子磁路结构的不同，电机的运行性能、控制方法、制造工艺和适用场合也会不同，但在常规应用场合，两种磁路结构的伺服电机所受使用限制较少。
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在电机结构中，需要转子冲片上开孔来嵌入磁钢。
转子正常运行时，处于高速旋转的状态。
此时，冲片和磁钢都会受到离心力的作用。
转速越高，离心力越大。
当冲片上的开孔较多较大时，孔之间的间隙就会比较小。
在较大的离心力的作用下，冲片体脆弱部分的强度可能不足，其变形也可能会影响转子冲片的正常工作。
为考察转子冲片的强度和刚度性能，采用有限元分析软件ansys mechanical模块进行仿真，分析在最大800rad/s的转速下，转子冲片的应力和变形分布，以及最大应力和变形随转速增加的变化规律。
仿真过程
转子冲片由冲片体和嵌入冲片体中的磁钢组成，其几何模型如下：
冲片上一共均匀嵌入了12块磁钢，分为6组，每组均呈“八”字形分布。
磁钢与冲片的大部分都是紧密接触在一起，只是在靠近外环时，各开有一个小孔。
同时，为了防止在转子转动时的冲片运动，在开孔处，采用了一个小的凸台。
从磁钢和冲片的装配来看，磁钢是嵌入进冲片的。
为了准确的反映这种装配关系，在每个磁钢与冲片可能发生接触的区域，设置了摩擦接触，摩擦系数设为0.15，接触算法采用Augmented Lagrange。
从真实情况来看，转子及冲片在正常工作状态下是在旋转的。
为了尽量与实际情况相符，对冲片的内圈的圆柱面施加了固定边界条件。
同时，在整个结构的两个侧面施加了无摩擦约束，将两个侧面的运动限制在了侧面所在的平面内。
在计算分析时，为预防出现较大的变形，打开了大变形开关。
由于摩擦接触和大变形效应都是非线性过程，因此在分析时，在每个载荷步中，都选用了自动时间步长，并设置计算时的初始载荷子步数为50，最小载荷子步数为10，最大载荷子步数为100。
仿真结果
离心力使磁钢向外运动到与冲片紧密相连，除局部外，整体遵循离轴线越远，位移越大的规
律，最大为0.004mm。
在磁钢与冲片相交的拐角处，出现了相对较大的局部应力，最大应力为57.6MPa。
这个连接部位较窄，最窄处只有2.5mm。
另外，在转子冲片开孔的凸台处，显然存在应力集中。
正如前面在定义磁钢与转子冲片的接触时所说，由于离心力的影响，磁钢与转子冲片的接触状态和区域会发生变化。
下面接触状态的云图说明了这一点：
从上图可以看到，由于离心力引起变形的影响，最终磁钢与转子冲片的接触仅仅只在凸台与磁钢的部位是牢牢接触上的，其他部位相隔很近或处于滑移状态。
从接触的压力图上，也能很明显的看到，磁钢与转子冲片牢牢接触的部位仅限于凸台处，其他部位的接触压力均为零。
结论
通过以上的分析，可以得到的结论为：
在800rad/s的转速下，离心力引起的变形和应力不会造成结构的破坏；
相邻磁钢连接处的部位为结构的脆弱部位，可考虑适当增大此处的宽度。
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