DOC《摘要》

摘要高速电机现正成为电机领域的研究热点之一.

其主要特点有两个:一是转子的高速旋转;

二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率.由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术.本文针对一台已经研制出的100KW高速永磁电机的机械特性进行了分析研究.主要包括以下内容: 首先,对高速永磁电机的定子、转子结构,工作原理和ANSYS软件进行了简单的介绍.定子主要由机座、主磁极、换向极和电刷装置组成,作用是产生磁场.转子由电枢铁心和电枢绕组,换向器,轴及风扇等组成,作用是产生电磁转矩和感应电动势.电机中的电磁能与机械能的转换是在磁场中完成的,本设计中采用永磁体建立磁场,完成能量的转换. 其次,对高速永磁电机的转子强度进行了分析.基于弹性力学理论和有限元接触理论建立了高速永磁转子应力计算模型,确定了护套和永磁体之间的过盈量,分析了永磁体和护套的强度.永磁体与护套之间采用过盈配合,用护套对永磁体施加静态预压力抵消高速旋转产生的拉应力,使永磁体高速旋转时仍能承受一定的压应力,从而保证永磁转子的安全运行. 关键词:高速永磁电机,转子强度,ANSYS软件 Abstract The high-speed electrical motors are now becoming one of the hot areas of research. There are two main features: First, the rotor high-speed rotation and the other is the stator windings current and iron hearts of the high-frequency magnetic flux. This decision is different from the ordinary high-speed electrical motor unique key technologies. This paper has developed a

100 KW of high-speed permanent magnet motor of the mechanical properties of the analysis. Mainly include the following: First, It is the simple introduction to the high-speed permanent magnet motor stator and rotor structure, working principle and ANSYS software. Stator mainly consists of the main magnetic pole, and brush, acting as generating the magnetic field. Rotor consists of the armature core and armature winding, commentator, shaft and fan, and other components, acting a role in the electromagnetic torque sensors and EMF. The conversion between the electromagnetic energy and mechanical energy is completed in the magnetic field, and permanent magnet was applied in this designing to establish magnetic field to complete the conversion of energy. Secondly, the analysis of the rotor strength of the high-speed permanent magnet motor. On the basis the elasticity theory and finite element contact theory established a high-speed permanent magnet rotor stress model to determine the sheath between the permanent magnet and a win amount of sheathing and the permanent magnet strength. Permanent magnet and used between the jacket fit, with the permanent magnet sheath static pre-imposed pressure to offset high-speed rotation of the stress so that the permanent magnet can bear a certain stress at high-speed rotation, thus ensuring permanent magnet rotor the safe operation. Key words: high-speed permanent magnet motor, the rotor strength,ANSYS software 1.1课题的来源及意义 现代社会中,电能是使用最广泛的一种能源.这种能量形式有许多优点,如生产和变换比较经济,传输和分配比较容易,使用和控制比较方便等.人类自从使用了电能,从繁重的体力劳动中得到了解放,并能完成手工劳动不能完成的任务. 目前,我国电力工业居世界第二位[1].随着电力工业的发展,发电厂的装机容量在不断扩大,单机容量为200MW、300MW、600MW机组已成为我国电网的主力机型.由于我国幅员辽阔,电力发展及分布很不均匀,而经济发展又极不平衡,偏远地区用电困难,中心城市用电高峰期电力供应不足的情况仍很严重.集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电力生产、输送和分配的主要方式.但这种模式有缺点,如电力输送所需的成本随着输电距离的增加而增大;

电能在输送过程中存在着损耗;

电力需求随季节、时间的不断变化,造成电力生产与用户需求不协调等等.另外,集中式供电模式面临更严重的问题是:一旦供电中枢或电力网出现故障,造成的经济损失将难以估量.而且这种大电网又极易遭到战争或恐怖势力的破坏,严重时将危害国家安全;

另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷变化,而为了短暂的峰荷建造发电厂花费巨大,且经济效益也非常低.采用分布式供电系统作为辅助手段,可以很好地解决这些问题.分布式供电是指将发电系统以小规模、分散式布置在用户附近,可独立地输出电能、热能或冷能的系统.当今分布式主要是指用液体或气体燃料的内燃机、微型燃气轮机和各种工程用的燃料电池,其具有良好的环保性能. 纵观西方发达国家电力工业的发展过程,可以发现:电力工业的发展经历了从分布式供电到集中式供电,又到分布和集中相结合的供电方式的演变.造成这种现象不仅仅是由于生活水平提高的需求,而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的. 由微型燃气轮机直接驱动内置式高速发电机,发电机与压气机、透气同轴,转速在50000r/min~120000r/min之间.高速发电机发出高频交流电,经电力变换系统转换成直流电后,再转换为50Hz/380V的交流电供用户使用.这样不仅简化了结构,使整台发电机组体积显著减小,重量减轻,而且也使系统的可靠性得到了提高. 在电能的生产,输送和使用等方面,电机起着重要的作用.电机发明至今已有200年的历史.工业革命以后,蒸汽动力得以普遍应用,但蒸汽动力输送和管理不便的缺点日益突出,迫使人们努力寻找新的动力源.十九世纪初,人们已经积累了有关电磁现象的丰富知识,在此基础上,法拉第发现了载流导体在磁场中受力现象,很快原始型式的电动机就被制造出来了.但由于驱动源是蓄电池,当时极为昂贵,因而也就不能被推广.为此人们寻求能将机械能转为电能的装置.1831年,法拉第发现电磁感应定律,第二年皮克利用磁铁和线圈的相对运动,再加上一个换向装置,制造了一台原始型旋转磁极式直流发电机,这就是现代直流发电机的雏形. 电机是随着生产发展而产生和发展的,而电机的发展反过来又促进社会生产力的不断提高.随着国民经济的发展,工业自动化水平的不断提高,各种高科技领域如计算机、通信、人造卫星等行业也广泛应用各种控制电机. 电机是使机械能与电能相互转换的机械.历史上最早的电源是电池,只能供应直流电能,所以直流电机的发展比交流电机早.后来交流电机发展比较快,这是因为交流电机与直流电机相比有许多优点,如易生产、成本低、能做到较大容量等.目前电站的发电机全都是交流电机;

用在各个行业的电机,大部分也是交流电机.然而,直流电机目前仍有相当多的应用. 电机主要包括发电机、变压器和电动机等类型[2].发电机可把机械能转换为电能,主要用于生产电能的发电厂.在火电厂、水电厂和核电厂中,水轮机、汽轮机带动发电机,把燃料燃烧得到的热能、水流的机械能或原子核裂变的原子能都转变为电能.发电机发出的电压为10.5~20KV,为了减少远距离输电中的能量损失,应采用高压输电,输电电压为110KV、220KV、330KV、500KV或更高.把发电机发出的电压升高到输电电压是由变压器完成的.高压输电线将电能输送到各个用电区,再由变压器把高电压降为所需的低电压.在十分庞大又复杂的电力系统中,发电机和变压器则是最重要的设备. 电动机将电能转换为机械能,用来驱动各种用途的生产机械.机械制造工业、冶金工业、煤炭工业、石油工业、轻纺工业、化学工业、及其他各工矿企业中,广泛应用各种电机.例如用电动机拖动各种机床、轧钢机、电铲等生产机械. 当前科学技术突飞猛进,因此电机在制造上也向着大型、巨型发展.在应用上,由于计算机技术迅速发展,将会出现由机器人工作的无人工厂,以计算机作为这些工厂的 中枢神经 ,使实现无人化成为可能. 近30年来,由于大功率电力电子器件以及微电子技术、微型计算机技术的一系列进展促进了交流调速技术的发展,已经生产出多种电机交流调速系统,不仅提高了生产机械的性能,而且节省了大量电能.随着现代社会的发展,电力和电机工业在国民经济中仍将起着重要的作用,并将得到更大的发展. 1.2高速电机介绍及应用前景 高速电机正成为电机领域的研究热点.所谓高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机.它们具有以下优点:一是由于转速高,所以电机功率密度高,而体积远小于功率普通的电机,可以有效的节约材料.二是可与原动机相连,取消了传统的减速机构,传动效率高,噪音小.三是由于高速电机转动惯量小,所以动态相应快[3-5]. 基于以上优点,高速电机在以下各方面具有广阔的应用前景: (1) 高速电机在空调或冰箱的离心式压缩机等各种场合得到应用[6],而随着科学技术的发展,特殊要求越来越多,它的应用也会越来越广泛. (2) 随着汽车工业混合动力汽车的发展,体积小,重量轻的高速发电机将会得到充分的重视,并在混合动力汽车,航空,船舶等领域具有良好的应用前景. (3)由燃气轮机驱动的高速发电机体积小,具有较高的机动性,可用于一些重要设施的备用电源,也可作为独立电源或小型电站,弥补集中式供电的不足,具有重要的实用价值. 由于高速电机转子上的离心力与线速度的平方成正比,高速电机要求具有很高的机械强度;

又由于高速电机频率高,铁耗大,在设计时应适当降低铁心中的磁密,采用低损耗的铁心材料. 轴承的研究也是与高速电机密不可分的内容,因为普通轴承难以承受在高速系统中承受长时间运行,必须采用新材料和新结构的轴承.目前人们正在研究的类型有气动轴承及磁力轴承. 高速电机可以有多种结构形式,如感应电机、永磁电机和磁阻电机等.电机在高速旋转时的离心力很大,当线速度达到200m/s以上时,常规叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力,需要采用特殊的高强度叠片或实心转子. 在转子动力学发展的近百年的历史中,出现过很多计算方法,发展到今天,现代的计算方法主要可以分为两大类:传递矩阵法和有限元法. 有限元法的运动方程表达方式简洁,规范,在求解转子动力学问题或转子和周围结构一起组成的复杂机械系统的问题时,有很多优点.有限元法对复杂转子系统剖分庞大,计算结果比传递矩阵法准确,然而计算耗时长,占用内存大.现代计算机技术的发展,给有限元法提供了良好的硬件技术,目前,有限元方法得到了广泛的应用. 总而言之,国外对高速电机及相关技术的研究比较早,已经取得了很多的研究成果,而且随着新材料的不断出现,加工工艺的不断改进,技术必将以更快的速度向前推进.国内对高速电机的研究还不是很多,基本上限于功率较小的发电机或电动机. 1.3永磁材料介绍及永磁电机 永磁材料是指经外部磁场饱和充磁后,无需外部能量而提供磁场的一种特殊材料,也称硬磁材料. 最早的永磁材料是磁铁矿,在最初的电机中,人们利用磁铁矿石建立所需要的磁场.随着科学技术的进步,永磁材料近年来开发很快,出现了性能各异的永磁材料.衡量永磁材料的好坏,主要是根据它的剩磁磁密Br、矫顽力Hc、最大磁能积(BH)max和回复系数以及机械加工性能和稳定性等.现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类[7]. 永磁电机的优点有:一是取消了励磁系统损耗,提高了效率.二是励磁绕组和励磁电源,结构简单,运行可靠.三是电机的尺寸和形状灵活多样,体积小. 由于电子技术和控制技术的发展,永磁电机的控制技术亦已成熟并日趋完善.以往电机的概念和应用范围已被当今的电机大大扩展.可以毫不夸张地说,永磁电机已在从小到大,从一般控制驱动到高精度的伺服驱动,从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现,而且前景会越来越明显.通过对感应电机和同步电机的电磁、热和机械方面的比较,指出永磁电机是应用在高速电机的最佳选择. 1.4本文研究的主要内容 本文主要针对一台已经研制成功的高速电机样机应用有限元软件进行机械特性分析,对电机进行机械特性研究的主要目的是校验转子是否能够承受所允许的应力,保证高速电机的安全运行. (1) 熟悉永磁电机的运行特点和工作原理. (2)对高速电机转子护套和永磁体应力进行分析. (3) 采用有限元法计算护套和永磁体内的应力分布,由此保障永磁转子在高速运行................