永磁无刷直流电机转子动力学分析

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1、万方数据中图分类号：TM36+l文献标志码：A文章编号：100l一6848(2009)09·0009-022．3kW高速永磁无刷直流电机转子动力学分析周凤争1，刘宝成1，唐庆华1，王凯2，沈建新2(1．天津市电力公司技术中心，天津3嗍；2．浙江大学电气工程学院，杭州310027)摘要：高速永磁无刷直流电机具有功率密度高、体积小、效率高等优点，在很多领域有着广泛的应用。转子动力学分析是高速无刷直流电机面临的主要问题之一。结合所研制的2．3kw，150000r／min高速无刷直流电机，设计了单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构两种不同的转子，并对两种结构进行了转子动

2、力学分析，表明双端式结构的电机在100000r／IIlin下运行平稳。关键词：高速电机；无刷直流电机；转子动力学；设计RotorDyn锄icA衄lysisofHigllSpeedPe珊anentMa印etBr岫m髑sDCMoto体ZHOUFeng．zhen91，LIUBao·chen91，TANGQin—hual，WANGKai2，SHENJian一妇n2(1．TechnicalCenterofTianjinElectricPowerCorpomtion，Tianjin300040，China；2．CoUegeofElectricalEn百needng，Zheji

3、angUniVersity，Hangzhou310027，China)Abstract：HighspeedpeHnanentmagnetbmsblessDcmotorshavebeenextensivelydeVelopedandem—ployedinindustryapplications，duetohighemciencyandhighpowerdensity．Rotordyn踟icanalysisisakeyproblem．Basedonadeveloped2．3kW，150000r／minhighspeedpe珊anentmagnetbmsblessDCm

4、otor，rotordynamicsoftwokindsofrotorstnlcturesaTecomparatiVelystudied．Keywords：HigIlspeedmotor；BrushlessDCmotor；Rotordyn锄ic；DesignO引言1转子动力学分析高速永磁无刷直流电机具有功率密度高、体积小、效率高等优点，在核材料离心分离装置、分布式发电装置、旋转储能装置、高速电动工具等领域广泛应用。转子机械设计和动力学分析是高速永磁无刷直流电机面临的主要问题之一[1引。文献[3．4]设计了75kw、60000r／min的高速永磁电机，并对磁力轴承一

5、转子系统的临界转速进行了计算。电磁轴承需要非常复杂的控制系统。轴承本身的体积可能比电机大得多，且长期工作可靠性(尤其在振动严重的场合)难以保障。空气轴承结构稍微简1单一些，但需要压缩空气，整个系统体积很大，耗能较多。本文采用精密滚珠轴承，设计制作了两种不同结构的转子，即单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构，并对两种结构进行了转子动力学分析。收稿日期：2008—10—131．1单端式轴承支撑结构本文采用精密滚珠轴承，设计并加工了两套带轴承润滑和定子冷却的机械系统。最初设计的高速电机如图1所示。轴承集中在转轴一端，以便轴承润滑系统的设计。这种结构被称为单端式轴承支撑

6、结构。玻璃丝永磁体保护环转轴图l单端式轴承支撑结构采用Ansys有限元软件对图1的转子进行了动力学分析。转轴材料为导磁不锈钢2crl3。分析结果如图2和表l所示。分析表明，由于转子设计不合理，使得转子重心位于图l所示转子的左侧。在弯曲模态I中，转子的重心侧严重偏离轴心位置，偏离幅度大于气隙长度，如图2(a)所示。．9·万方数据徽电机图2单端式轴承支撑转子模态分析裹l有限元分析结果转子模态临界频：率／Hz弯曲模态I弯曲模态Ⅱ弯曲模态Ⅲ弯曲模态Ⅳ469146634645932当电机运行转速达到40000r／min以上时，玻璃丝保护环和定子齿部发生了摩擦。转子局部损坏如

7、图3所示。发生摩擦后破坏了转子动平衡，导致电机运行失败。图3单端式轴承支撑转子实物图1．2两端式轴承支撑结构由于电机尺寸设计不合理，使得单端式轴承支撑结构转子重心悬空，导致电机运行失败；轴承集中在转轴一端，转子长度增加，使得转子的临界频率降低。为了提高临界频率，轴承分别放置在转轴两端，如图4所示。这种结构被称为两端式轴承支撑结构。图5为两端式轴承支撑转子实物图。两端式轴承支撑结构的转子重心位于轴承支撑的中间，和单端式轴承支撑结构不同，转子受轴承约束，偏离轴心幅度很小，只要定、转子之·工0．2009年第42卷第9期间的气隙足够大，转子会很容易地跨过弯曲模态。有限元分

8、析结果如图