高速永磁电机转子碳纤维复合材料护套的设计研究

摘要

高速永磁电机具有效率高、功率因素大和体积小等优势，是高速电机领域的主要研究方向之一。高速永磁电机的转子在高速旋转时永磁体不能承受由离心力产生的拉应力，必须在外层设置保护套并提供一定的预紧力来抵消，目前保护套主要是采用合金材料和碳纤维复合材料，由于碳纤维复合材料轻质高强同时可以降低转子的涡流损耗，具有广阔的应用前景。本课题以两种不同体积的高速永磁电机转子为研究对象，提出碳纤维护套不同的预紧力形成方式，即大张力缠绕护套和过盈配合护套，并针对不同状态转子的应力进行了研究和分析。 首先，基于碳纤维缠绕的工艺特点，通过制备不同张力缠绕的T800碳纤维NOL环和单向板试样并测试其基本力学性能参数，研究张力对碳纤维缠绕制品的性能影响规律，确定大张力缠绕工艺的极限张力，并为碳纤维护套转子的设计分析提供参数依据。 其次，针对体积较小的高速永磁电机转子，提出一种大张力缠绕护套方案，在制备护套的同时通过纤维张力提供预紧力。考虑缠绕过程中外层纤维张力对内层结构的作用导致已缠绕的内层纤维产生放松效应，基于弹性力学相关原理推导了张力与纤维层剩余应力的解析模型，分析不同张力制度下纤维层对永磁体的压紧作用，在此基础上以转子永磁体径向始终受压为条件，结合材料的强度准则设计了大张力缠绕护套的厚度。 然后，利用ABAQUS有限元软件建立大张力缠绕护套的计算模型，模拟缠绕张力放松效应和逐层缠绕过程，运用该模型计算恒定张力缠绕和等应力缠绕两种张力制度下转子静态和高速旋转的应力分布情况，并与解析计算的结果进行对比，验证了两种计算方法结果的一致性。通过实验测试在大张力缠绕护套作用下永磁体的径向应变，验证了大张力缠绕方案的可行性，以及理论计算和有限元仿真模型的正确性。 最后，针对体积较大的高速永磁电机转子，大张力缠绕提供的预紧力不足以抵消高速旋转的离心力，故采用过盈配合的方案。基于弹性力学相关原理推导了过盈护套转子静态和高速旋转时的应力的解析模型，分析不同护套厚度和过盈量的影响规律，选取更为合理的碳纤维过盈护套参数。采用有限元法对过盈护套转子应力进行仿真分析，并与解析计算的结果进行对比，证明建立的过盈护套转子应力解析模型的正确性。按计算得到护套厚度和过盈量，实际缠绕制备了转子的碳纤维护套并进行过盈压装和旋转实验，验证了转子的稳定运行。 本文提出的大张力缠绕碳纤维护套可以满足部分永磁电机转子高速旋转的要求，为转子碳纤维护套的设计提供了一种新思路，随着碳纤维材料和张力缠绕技术的发展，能够应用的转子范围会越来越广。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 高速永磁电机转子的国内外研究现状

1.2.1 永磁材料和转子结构

1.2.2 保护措施和应力分析

1.2.3 转子损耗和温度场

1.3 纤维缠绕技术的研究

1.3.1 纤维缠绕工艺

1.3.2 缠绕张力的研究

1.3.3 张力控制系统的研究

1.4 国内外研究综述简析

1.5 课题主要研究内容

第2章 不同张力缠绕材料基本力学性能测试

2.1 选用的纤维与树脂

2.1.1 碳纤维种类

2.1.2 树脂种类

2.2 不同张力缠绕NOL环性能测试

2.2.1 测试仪器设备

2.2.2 不同张力缠绕NOL环试样制备

2.2.3 制备试样的测试

2.3 不同张力缠绕单向板性能测试

2.3.1 不同张力缠绕单向板试样制备

2.3.2 制备试样的测试

2.4 本章小结

第3章 大张力缠绕护套方案设计

3.1 弹性力学分析基础

3.2 大张力缠绕转子的应力分析

3.2.1 芯轴与永磁体的应力分析

3.2.2 碳纤维护套的应力分析

3.2.3 缠绕剩余应力分析模型

3.3 高速旋转转子的应力分析

3.4 高速永磁电机转子强度准则

3.5 张力制度和缠绕厚度设计

3.5.1 不同张力缠绕剩余应力和压紧作用

3.5.2 护套厚度设计

3.6 本章小结

第4章 大张力缠绕护套有限元仿真分析

4.1 大张力缠绕有限元模型

4.1.1 缠绕张力的施加

4.1.2 放松效应的模拟

4.1.3 逐层缠绕过程的实现

4.2 恒定张力缠绕转子有限元与理论计算对比

4.2.1 缠绕完成时转子应力

4.2.2 高速旋转时转子应力

4.3 等应力缠绕转子有限元与理论计算对比

4.3.1 缠绕完成时转子应力

4.3.2 高速旋转时转子应力

4.4 两种张力制度计算结果汇总分析

4.5 本章小结

第5章 大张力缠绕护套压紧力测试

5.1 实验材料和仪器设备

5.2 碳纤维大张力缠绕成型工艺

5.2.1 数控缠绕设备简介

5.2.2 工艺控制关键

5.3 大张力缠绕压紧力的测试

5.3.1 测试应变片布置方案

5.3.2 测试过程

5.4 实验结果

5.5 本章小结

第6章 碳纤维护套过盈方案分析

6.1 过盈配合转子的应力分析

6.1.1 芯轴与永磁体的应力分析

6.1.2 碳纤维护套的应力分析

6.2 护套厚度及过盈量对转子应力的影响

6.3 理论计算与有限元仿真对比

6.3.1 静态时转子应力分析

6.3.2 高速旋转时转子应力分析

6.4 过盈护套转子样件的制备

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果