高速永磁电机三段式转子模态分析与实验验证.pdf
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1、D 设计分析 esign and analysis2023 年第 51 卷第 10 期胡洪益等高速永磁电机三段式转子模态分析与实验验证10 收稿日期:2023-06-02基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFB1504603)高速永磁电机三段式转子模态分析与实验验证胡洪益,晏才松,曾 纯,金海善(湖南中车尚驱电气有限公司,株洲 412001)摘 要:基于模态分析理论,以某磁悬浮轴承高速永磁电机三段式转子为研究对象,通过修正零件材料弹性模量参数建立转子模型,采用有限元分析软件对转子模型进行模态仿真分析,并通过模态实验对仿真结果进行验证。结果表明,通过该修正模型得到的前 2 阶固有频率与实验
2、结果误差小于 5%,验证了该方法的可靠性。该研究为同类型转子高速永磁电机转子动力学分析提供参考。关键词:高速永磁电机;三段式转子;模态分析;固有频率;模态实验中图分类号:TM351;TM355 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2023)10-0010-04Modal Analysis and Experimental Verification on Three-Stage Rotor of High Speed Permanent Magnet MotorHU Hongyi,YAN Caisong,ZENG Chun,JIN Haishan(Hunan CRRC Shangqu
3、Electric Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,China)Abstract:Based on the modal analysis theory,a three-stage rotor of a magnetic bearing high-speed permanent magnet motor was taken as the research object.And the rotor model was established by modifying the elastic modulus parameters of the component material.Th
4、e mode analysis of the rotor model was carried out by using the finite element analysis software,and the simulation results were verified by modal experiments.The results show that the error between the first two-order natural frequencies obtained by this modified model and the experimental results
5、is less than 5%,which verifies the reliability of this method.And the research results provide a reference for the rotor dynamics analysis of high-speed permanent magnet motors with the same type of rotor.Key words:high-speed permanent magnet motor,three-stage rotor,modal analysis,natural frequency,
6、modal experiment0 引 言高速电机相比传统电机,不需要中间传动装置,可直接驱动高速负载,具有效率高、可靠性高、体积小、噪声低、维护少等优点,被广泛应用于制冷、制药、氢能源以及污水处理等领域,具有广阔的应用前景1。转子设计是高速永磁电机设计的核心内容之一,需要综合考虑电磁、强度以及转子动力学特性要求2。其中转子动力学是高速电机转子设计的核心,是保证电机在高速时稳定运行的关键因素。高速永磁电机转子通常有三种结构:第一种是内嵌式结构,转子铁心通过硅钢片叠压而成,永磁体插入硅钢片设计的磁钢槽中;第二种是表贴式结构,瓦片式永磁体粘贴于轴的表面,永磁体靠过盈配合的碳纤维或合金护套保护;第三
7、种是三段式结构,圆柱或圆环形永磁体与两段轴用胶粘接一体,外圆过盈热套高强度合金护套进行保护固定。三种转子结构不一样,转子动力学建模方法也不一样,而建模会影响计算的准确性。为了准确预测转子的临界转速,可以通过转子模态实验来修正转子动力学模型从而使得转子动力学分析结果更准确。文献3-4以表贴式转子为研究对象,建立转子三维模型进行模态仿真分析并通过实验验证。文献5以内嵌式转子为研究对象,建立转子三维模型进行模态仿真分析并通过实验验证。而三段式转子建模仿真的研究目前较少,其建模方法的准确性还有待验证。本文对某磁悬浮高速电机三段式转子进行研究,建立转子三维模型,用有限元仿真软件分析得到固有频率仿真值,然
8、后用锤击法模态实验得到固有频率实验值,两者对比验证了建模方法的合理可行,为三段式转子电机设计以及动力学分析提供参考。2023 年第 51 卷第 10 期 D 设计分析 esign and analysis胡洪益等高速永磁电机三段式转子模态分析与实验验证11 1 转子模态分析1.1 转子建模高速永磁电机转子在实际运行时受到轴承支承、单边磁拉力以及负载等多种约束,边界条件复杂,仿真分析很难模拟实际工况。下面简化边界条件对转子做自由模态分析6,即忽略轴承支撑、单边磁拉力以及负载等约束,减少变量,更直观地验证转子建模的准确性。自由模态仿真得到转子的固有频率,为电机的转子动力学分析提供参考。以某电机三段
9、式转子为例,该电机采用磁悬浮轴承,用于驱动离心空气压缩机,转子剖面图如图 1所示。转子由内部永磁体、两段轴、护套、径向磁轴承、传感器检测环、推力盘以及叶轮、锁紧螺母、拉杆等零件组成。图 1 磁悬浮电机转子剖面结构转子各个零部件的接触关系按如下定义:两段轴端面与磁钢按绑定接触,护套与轴、磁钢过盈配合设置摩擦接触,磁钢弹性模量仅考虑一半。转子轴上的热套的各个零部件材料均需要考虑正交异性,即轴向刚度减弱,横向刚度按材料实际进行设置,接触关系均设置为摩擦接触。电机径向磁悬浮轴承是由 0.27 mm 厚硅钢片叠压而成,这部分对转子的横向刚度贡献较少,建模按整体建模。轴上其他零部件包括传感器环、推力盘、锁
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