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由于表貼式高速永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為高速電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一高速永磁電機(jī)中常用的永磁材料主要有鋁鎳鉆永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料，其中稀土永磁材料具有高剩磁、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線等優(yōu)異的磁性能，很適合在永磁電機(jī)中使用。但稀土永磁材料的抗壓強(qiáng)度大而抗拉強(qiáng)度小，表貼式高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體難以承受由轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力的作用，因此，必須對電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體采取專門的保護(hù)措施。
通常，表貼式高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的保護(hù)一般采用兩種方法：一種是在永磁體外采用高強(qiáng)度的復(fù)合材料，如用碳纖維或玻璃纖維進(jìn)行綁扎；另一種方法是在永磁體的外層設(shè)置一高強(qiáng)度的非導(dǎo)磁金屬保護(hù)套.與采用非導(dǎo)磁金屬護(hù)套相比，高強(qiáng)度的復(fù)合材料綁扎帶的厚度小，而且不產(chǎn)生高頻渦流損耗，同時也避免了金屬護(hù)套在熱套過程中可能使永磁體發(fā)生退磁的問題。采用高強(qiáng)度碳纖維綁扎防護(hù)套的不足在于復(fù)合材料是熱的不良導(dǎo)體，不利于永磁轉(zhuǎn)子的散熱。由于永磁體能夠承受很大的壓應(yīng)力而不能承受較大的拉應(yīng)力，為了保證永磁體內(nèi)表面與內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵芯以及永磁體外表面與碳纖維保護(hù)套之間在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)條件下不會出現(xiàn)松動，綁扎帶需要對永磁體有一定的預(yù)緊力，以補(bǔ)償高速旋轉(zhuǎn)時離心力產(chǎn)生的變形。利用在永磁體的外層設(shè)置一高強(qiáng)度的非導(dǎo)磁金屬保護(hù)套的表貼式高速永磁電機(jī)的強(qiáng)度問題已有大量的研究，但對永磁體外用碳纖維綁扎方式的表貼式高速永磁電機(jī)強(qiáng)度問題的研究還很不足。張旭坡等利用有限元分析及處理系統(tǒng)(MSC.Patran)對72000r/min的高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析。在該臺樣機(jī)中，永磁體采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，永磁體保護(hù)方式采用外設(shè)碳纖維保護(hù)套結(jié)構(gòu)。kolondzhovski等設(shè)計了高速電機(jī)，該電機(jī)的永磁體采用的是碳纖維綁扎。
目前，表貼式高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析主要采用有限元法，但是有限元法存在建模復(fù)雜和計算收斂困難等問題，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析的解析計算方法則主要集中在環(huán)形永磁體或圓柱永磁體的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而對于分塊永磁體結(jié)構(gòu)表貼式高速永磁電機(jī)的永磁體和碳纖維保護(hù)套的強(qiáng)度分析的解析計算方法還鮮見報道。除了2極電機(jī)可以采用圓柱形永磁體結(jié)構(gòu)或永磁環(huán)外，其他表貼式永磁電機(jī)大都采用分塊永磁體的結(jié)構(gòu)。本文基于彈性力學(xué)理論，推導(dǎo)了分塊永磁體結(jié)構(gòu)表貼式高速永磁電機(jī)的永磁體和保護(hù)套的應(yīng)力計算公式，并利用有限元法對解析計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了解析解的有效性。
分塊永磁體表貼式高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯外表面上的永磁體通常由偶數(shù)個瓦片狀的永磁體組成。為了對永磁體進(jìn)行保護(hù)，在永磁體外用碳纖維對永磁體進(jìn)行綁扎，分塊永磁體表貼式高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的三維結(jié)構(gòu)如圖所示。鐵芯的半徑為Ro，永磁瓦片的內(nèi)、外半徑分別為Rm和Rro，保護(hù)套的內(nèi)、外半經(jīng)分別為Rh和Rho，其尺寸標(biāo)注如圖所示。
為了對分塊永磁體表貼式高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，特作如下的簡化假設(shè)：(1)各瓦塊狀永磁體的尺寸、材料特性等參數(shù)均相同；(2)永磁體與永磁體之間是緊密配合的，期間沒有間隙存在；(3)采用厚圓盤或者是厚壁筒理論的平面應(yīng)力模型進(jìn)行分析，永磁體預(yù)緊力的施加要求：(1)轉(zhuǎn)子靜止時，永磁體所受壓應(yīng)力不應(yīng)超過永磁體應(yīng)力極限，(2)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子能夠提供額定轉(zhuǎn)矩，并且要留有足夠的轉(zhuǎn)矩余量。
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