采用碳纤维绑扎的磁悬浮高速永磁电机转子研究

摘要

高速永磁电机具有高功率密度、高效等优点，然而使用非导磁钢护套的转子的损耗却很严重，可能导致永磁体不可逆退磁。研究表明:采用低导电率的碳纤维复合材料代替高导电率的非导磁钢，可以有效降低转子损耗，国外相关应用已经非常成熟，在国内却还是空白。本文以采用碳纤维绑扎的高速永磁电机转子为研究对象，以设计并制作额定转速为36000r/min的转子为目的，主要对碳纤维绑扎的转子强度及动力学特性进行了研究。
　　提出了转子的两种制作方案:压装法和张紧力缠绕。推导了采用压装法制作的转子的应力分布以及采用张紧力缠绕方案制作的转子的初始张力计算公式，通过计算发现由于张紧力缠绕所需初始张力过大而无法加工;计算了取不同过盈量、不同环向缠绕层厚度时压装法制作的转子安全运行的极限转速，选取满足强度要求的过盈量及环向缠绕层厚度;在选定的参数下，得到了转子危险位置的应力随转速变化的曲线，并通过有限元仿真进行验证。
　　采用Raccati传递矩阵法计算了转子在自由状态下的固有频率及模态振型，并与激振实验做对比，验证了以下假设和等效的正确性:1、建模时只考虑永磁体与硅钢片组件的质量和转动惯量，不考虑它们对抗弯刚度的贡献;2、计算转子护套的抗弯刚度EI时将碳纤维护套看做层合结构。分析了磁悬浮轴承的支承特性，建立了磁悬浮轴承-转子系统的数学模型，计算了磁悬浮轴承支承状态下转子的固有频率及模态振型，分析了支承刚度对临界转速的影响。
　　根据设计参数，加工了复合材料护套、永磁体、两端芯轴及工装。通过采用合理的压装工艺，成功制作了采用碳纤维绑扎的高速永磁电机转子。

目录

摘要

注释表

缩略词

第一章 绪论

1．1 磁悬浮高速永磁电机概述

1．2 磁悬浮高速永磁电机的结构特点及相关的问题

1．3 纤维树脂基复合材料概述

1．3．1 增强纤维与树脂基体的特性

1．3．2 纤维树脂基复合材料的成型方法

1．3．3 纤维缠绕成型工艺的特点及应用

1．4 碳纤维绑扎转子的国内外应用及研究现状

1．4 碳纤维绑扎转子的国内外应用及研究现状

1．5 本文研究的主要内容及安排

第二章 采用复合材料护套的电机转子强度分析

2．1 护套的缠绕方式及其力学性能

2．2 高速永磁电机转子关键技术分析

2．3 压装法转子过盈量的计算

2．3．1 装配过盈量的计算

2．3．2 动态过盈量的计算

2．3．3 护套材料选用原则

2．4 张紧力缠绕的初始缠绕张力计算

2．5 高速永磁电机转子应力分析

2．5．1 确定环向缠绕层厚度及过盈量

2．5．2 有限元仿真验证

本章小结

第三章 采用碳纤维护套的转子装配

3．1 永磁体压装

3．1．1 预压处理

3．1．2 液压机压装

3．2 下芯轴和上芯轴压装

本章小结

第四章 磁悬浮转子系统固有频率及动态特性

4．1 磁悬浮轴承的支承特性分析

4．1．1 基本工作原理及电磁力

4．1．2 磁悬浮轴承的等效刚度和等效阻尼

4．2 磁悬浮转子系统数学模型的建立

4．2．1 转子的离散化处理

4．2．2 基于传递矩阵法的磁悬浮转子数学模型

4．3 自由状态下转子固有频率及模态分析

4．4 磁悬浮轴承支承转子临界转速及模态分析

本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文主要工作

5．2 下一步工作展望

参考文献

致谢