低温高速永磁电机转子屏蔽套的设计及强度分析.pdf

第 27 卷 第 7 期2023 年 7 月电 机与控 制学报ElectricMachinesandControlVol.27No.7Jul.2023 低温高速永磁电机转子屏蔽套的设计及强度分析董传友,金鹏飞,杨子豪,杨志飞,李星锐(哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院,黑龙江 哈尔滨 150080)摘 要:针对低温泵用高速永磁电机的屏蔽套厚度和过盈量的确定问题,从电机转子强度的角度分析,提出了以厚度最小化作为设计目标的研究方法。首先确定转子各材料的强度约束准则,建立电机转子的三维有限元强度计算模型,并通过解析法验证,分析了分别采用钛合金和碳纤维作为屏蔽套材料时不同转速和温度下转子应力的变化规律,探究各材料的失效极限;并以此作为约束条件,确定了符合强度要求的屏蔽套厚度及过盈量,最终得到的碳纤维屏蔽套较钛合金的厚度更小,在强度方面更具优势。该屏蔽套的设计方法在满足转子强度的前提下,使得材料尽限利用,对低温泵用电机和高速电机的屏蔽套设计具有参考意义。关键词:低温泵用电机;高速永磁电机;转子屏蔽套;转子强度分析;厚度最小化设计DOI:10.15938/j.emc.2023.07.012中图分类号:TM355文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)07-0111-11 收稿日期:2022-06-28基金项目:军民融合专项(JMRH2018XM03)作者简介:董传友(1980),男,博士,副教授,研究方向为大型电机设计、电磁、流体、温度等多物理场理论研究;金鹏飞(1997),男,硕士研究生,研究方向为高速永磁电机转子强度和温度分析;杨子豪(1994),男,博士研究生,研究方向为电磁轴承电磁设计及控制;杨志飞(1995),男,博士研究生,研究方向为低温高速永磁电机材料电磁性能分析;李星锐(1996),男,硕士研究生,研究方向为高速永磁电机转子强度和动力学研究。通信作者:金鹏飞Design and strength analysis of rotor shielding sleeve of lowtemperature and high speed permanent magnet motorDONG Chuanyou,JIN Pengfei,YANG Zihao,YANG Zhifei,LI Xingrui(School of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)Abstract:In order to determine the thickness and interference of the shield sleeve of the high-speed per-manent magnet motor for cryopump,a research method with the minimum thickness as the design objec-tive was proposed from the angle of motor rotor strength.Firstly,the strength constraint criteria for eachmaterial of the rotor were determined,and a three-dimensional finite element strength calculation modelfor the motor rotor was established.Through analytical verification,the changes in rotor stress at differentspeeds and temperatures were analyzed when titanium alloy and carbon fiber were used as shielding mate-rials,and the failure limits of each material were explored;and using this as a constraint,the thicknessand interference of the shielding sleeve that meets the strength requirements were determined.The resul-ting carbon fiber shielding sleeve has a smaller thickness than titanium alloy,and has more advantages instrength.On the premise of satisfying the rotor strength,the design method of the shielding sleeve makesthe material be used as limited as possible,which has reference significance for the shielding sleeve de-sign of motors for cryopump and high-speed motors.Keywords:motor for cryogenic pump;high speed permanent magnet motor;rotor shielding sleeve;rotorstrength analysis;thickness minimization design0 引 言在“双碳”目标下,液化天然气(liquefied naturalgas,LNG)作为清洁能源在能源消费和转型过程中起到重要作用1。低温泵用电机作为 LNG 在生产运输环节中的核心部件,对其提出了高功率密度、高可靠性、高适应性和低排放等更高的要求。而低温高速永磁电机2具有体积小、效率和功率密度高的特点,将其设计为屏蔽式电机,即转子和定子各有一个薄壁套将其与输送介质隔离开,转子通过轴承支承浸没输送介质中5-7,具有以下优点:1)可以实现与驱动泵的共轴联结,结构紧凑节约布置空间;2)安全和可靠性高,不需要考虑绝对密封问题;3)运行噪声低,且不需要额外添加润滑油;4)使用范围广,非常适合输送易燃易爆、易挥发、有毒、有腐蚀性的液体。屏蔽式电机最初是应用在核工业中,近年来在军事、石化、医疗和食品等领域也有广泛的应用和发展,对于永磁屏蔽电机的电磁计算、屏蔽套涡流损耗分析和电机温升研究较多8-10。但高速电机在运行时,转子部分受到高速旋转产生的离心力,而常用的永磁体材料抗拉强度很低,转子屏蔽套必须具有足够的强度来保证其安全。从结构强度的角度来看,转子屏蔽套需要有一定的厚度,而从磁-热的角度应当尽可能的薄,避免过多的涡流损耗和传导热阻。因此,对于转子屏蔽套的设计,可以在满足转子强度要求的前提下,将厚度最小化作为设计目标。对于高速永磁电机转子强度的研究,文献10采用三维有限元方法分析了兆瓦级高速永磁电机转子强度的影响因素,并归纳了一些设计方向,护套厚度和过盈量都应该尽可能的小;文献11推导了考虑转子轴间填充物的应力解析式并通过有限元方法进行验证,与未考虑填充物的解析模型相比有一些偏差但影响不大。文献12-13 基于有限元仿真分析了护套厚度及过盈量、电机转速和温升对转子强度的影响及规律,比较了常温和高温情况下的强度变化;文献14采用解析法和三维有限元方法对照验证,研究了套筒和永磁体材料对高速永磁电机转子应力的影响;文献15-17基于有限元分析计算电机的转子强度和电磁设计极限,得到了不同护套材料转子的最佳尺寸;文献18建立了转子二维应力场计算的解析模型,并通过有限元分析进行了验证,以此模型提出了转子护套最小厚度及其对应过盈量的计算方法。目前已经有了大量学者对于高速电机转子强度方面进行了一系列的研究。但大多是基于常温或高温条件下,由于低温下各材料的机械特性各不相同,可能会使转子屏蔽套厚度和过盈量的选择更受局限。所以本文认为有必要对于低温情况下的高速永磁电机的转子强度方面进行相应研究,同时提出一套适用于低温环境下的转子屏蔽套的设计方法。本文针对高速永磁电机在低温泵的应用场景,考虑更低温度的影响,建立了三维有限元模型,并通过与理论计算结果对比,验证有限元模型的准确性。在此基础上,分析两种屏蔽套材料下转子应力的变化规律,根据材料的约束条件确定各应力的极限工况,在极限工况下求解符合转子强度要求的屏蔽套厚度及过盈量,形成可选择尺寸的可行范围,最终确定转子屏蔽套的最小厚度及对应过盈量。1 转子强度的分析1.1 数学模型和边界条件电机转子的结构由转轴、永磁体、屏蔽套 3 个部分组成,为了简化设计,忽略永磁体极间的填充材料,将转子屏蔽套和永磁体等效为圆筒模型11。简化的平面模型如图 1 所示,圆筒在半径 r 处的受到径向应力 r和切向应力。永磁体与转轴采用过渡配合,永磁体与屏蔽套采用过盈配合。图 1 转子简化平面图Fig.1 Simplified plan of rotor首先,基于厚壁圆筒的受力平衡方程、几何关系和胡克定律如下:drdr+r-r+2r=0;r=dudr;=ur;r=1Er-rE-rEr1Er+rT。(1)211电 机 与 控 制 学 报 第 27 卷式中:,分别为材料密度和角速度;u 为受力后的径向位移;r,分别为径向和切向应变;Er、E、r、r、r、分别为材料的径向和切向的弹性模量、径向和切向的泊松比、径向和切向的热膨胀系数;T为材料的温升。其中,径向泊松比表示径向应变对切向应变的影响,切向泊松比表示切向应变对径向应变的影响。简化后可得物体位移方程为Err2d2udr2+Errdudr-Eu=-2r3(1-rr)+CtrT。(2)其中 Ct=(Er-rE)r-(E-rEr)设为热应力方程系数。对该微分方程求解,可得位移表达式 u(r),进一步得到径向应力 r和切向应力 的表达式为:u(r)=Ark+Br-k-1-rr9Er-E2r3+CtT2ErEr-r-k+1irk-k+1-r-rk+1ir-kk+1();r(r)=Er1-rr(k+r)Ark-1+(r-k)Br-k-1+(3+r)(1-rr)Er(k2-9)2r2+CtT2ErE1+r-(k+r)r-k+1irk-1-k+1-1+r+(k-r)rk+1ir-k-1k+1()-(r+r)T;(r)=E1-rr(1+kr)Ark-1+(1-kr)Br-k-1+(1+3r)(1-rr)Er(k2-9)2r2+CtT2ErE1+r-(1+kr)r-k+1irk-1-k+1-1+r+(kr-1)rk+1ir-k-1k+1()-(r+r)T。(3)式中:A、B 是与边界条件有关的待求系数;ri是该圆筒的内径,k=EEr。对于各向同性材料,可知:Er=E=E;r=r=;r=。(4)式中:E、分别为各向同性材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数。因而,k=1,Ct=0,对式(3)化简可得各向同性材料的位移和应力表达式。根据转子的结构和力学的连续性理论,转子各部分位移和受力满足下列边界条件:usft(0)=0;usft(Rsft)=usft(Rsft);usle(Rmag)-umag(Rmag)=H0;rsft(Rsft)=rmag(Rsft);rmag(Rmag)=rsle(Rmag);rsle(Rsle)=0。(5)式中:Rsft、Rmag、Rsle分别表示转子转轴、永磁体、屏蔽套的外径;usft、umag、usle分别表示转子转轴、永磁体、屏蔽套的径向位移;rsft、rmag、rsle分别表示转子转轴、永磁体、屏蔽套的径向应力;H0为永磁体与屏蔽套之间设置的静态过盈量。解得 6 个待求系数,可求得位移及应力关于半径 r 的表达式。1.