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摘 要：高速永磁电机表贴式转子在高速运行时，转子部分會受到巨大的离心力而导致损坏。为了保证电机能够安全运行，通常在表贴式转子的外侧施加一层合金护套，并通过护套与永磁体之间的过盈配合对永磁体施加预紧力，确保永磁体在高速运行时仍与转子间存在接触应力。针对护套与永磁体间过盈量大小的选取问题，通过ANSYS Workbench计算探究了在不同过盈量配合的情况下永磁体与护套受力的变化规律，并根据分析结果确定了护套的最佳设计方案。
关键词：表贴式永磁电机 强度分析 合金护套 有限元分析
中图分类号：TM355 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）05（b）-0066-04
Abstract： When the surface-mounted rotor of a high-speed permanent magnet motor runs at high speed， the rotor will be damaged by huge centrifugal force. In order to ensure the safe operation of the motor， an alloy sleeve is applied to the surface mount rotor， and the permanent magnet is pre-tightened through the interference fit between the sleeve and the permanent magnet to ensure that the permanent magnet runs at high speed there is still contact stress with the rotor. Aiming at the problem of selecting the magnitude of the interference fit between the sleeve and the permanent magnet， the ANSYS Workbench were used to explore the changing law of the force of the permanent magnet and the sleeve under different interference fits， according to the analysis results， the best design scheme of the sheath was determined.
Key Words： Surface mounted permanent magnet motor; Strength analysis; Alloy sleeve; Finite element analysis
高速永磁电机具有功率密度高、体积小、效率高的优异性能，在航空航天领域、高性能伺服领域、分布式发电及飞轮储能领域有着广泛的应用[1]。永磁电机拥有诸多优点的同时也存在自身的缺陷，由于永磁材料具有不能够承受较大拉应力的特性，在高速表贴式转子的设计中满足电机机械性能的要求至关重要。当电机处于高速运行状态时，电机转子会受到巨大的离心力作用而导致贴附于转子表面的永磁体损坏。为了保证电机能够在高速的状态下安全运行，通常在永磁体外侧安装一层合金护套或碳纤维护套，通过护套与永磁体之间的过盈配合对永磁体施加预紧力，确保永磁体在电机运行的过程中始终与转子间存在接触压力[2]。
转子护套过盈量的选取对电机的机械性存在很大的影响。当护套过盈量取值过大时会导致装配困难、护套所受应力过大等问题;当过盈量取值较小时在离心力的作用下护套会发生脱落现象，失去了其对永磁体保护的意义。因此，对于表贴式高速永磁电机，其护套过盈量的选取至关重要。对比国内外学者已进行的相关研究，陈亮亮等人[3]推导了高速热态永磁转子的强度解析解，并采用有限元法分析了1台表贴式高速永磁电机的转子强度;吴震宇等人[4]采用有限元法基于多物理场耦合优化转子设;刘威等人[5]综合分析了采用碳纤维护套时电机转子的应力变化规律;杨振中等人[6]对采用碳纤维护套的表贴式永磁电机进行了转子强度及护套过盈量分析;刘锐等人[7]对高速永磁电机转子的过盈量配合进行了仿真分析研究。该文利用ANSYS有限元软件对转子护套不同过盈量情况下的强度进行了分析，得出护套过盈量对转子机械强度的影响规律。
1 表贴式转子结构及参数
该文所研究的转子由转轴、永磁体、合金护套这3个部分组成，转子结构模型见图1。选取永磁转子的设计参数：护套外径56 mm;永磁体外径52 mm;永磁体内径42 mm;转轴外径42 mm。
转子各部件材料属性的不同显著影响高速表贴式永磁转子机械性能，转子各部分的材料属性及具体参数如表1所示。
2 基于有限元计算的转子强度分析
2.1 有限元模型的建立与前处理
该文有限元分析的目的是研究转子护套和永磁体在不同过盈条件下的应力，因此模型只取出电机中转子护套、永磁体以及转轴进行分析。
转子所有尺寸确定的情况下，用过ANSYS Workbench有限元软件对采取不同过盈量配合时护套与永磁体的受力状态进行分析。在前处理过程中，将永磁体与护套间设置为非线性接触，摩擦系数取0.2，转子转速为30 000 r/min，过盈量设置为0.06～0.20 mm，步长为0.02 mm。 2.2 表贴式转子强度计算结果分析
取不同過盈量配合时永磁体与护套的受力情况，见表2。从计算结果可以看出，随着护套与永磁体间静态过盈量的增加，护套所受的等效应力也随之增大;永磁体所受的径向应力与切向应力始终为压应力，其大小也随着过盈量的增大而逐渐增大。
转子护套的屈服强度为800 MPa，永磁体的屈服强度为80 MPa。在实际应用中，转子所受的应力通常需要留有裕量，安全系数一般为1.3，即护套所受的最大应力不能超过615.39 MPa。永磁体所受的最大应力不能超过61.54 MPa。
根据分析结果可以得出，虽然永磁体与护套所受的应力随过盈量的增加呈线性递增变化，但是护套应力的变化速度远大于永磁体受力的变化速度。当过盈量的取值从0.06～0.20 mm时，永磁体的等效应力从19.24 MPa增加到69.40 MPa;护套的等效应力从262.84 MPa增加到874.74 MPa;当过盈量取值为0.14 mm时，护套所受的最大应力值已达到最大安全值;当过盈量取值为0.16 mm时，永磁体的最大应力值接近其能承受的最大安全值。在过盈量的取值变化过程中，永磁体的径向应力始终为压应力。
在选取过盈量时，既要考虑护套和永磁体所承受的最大等效应力的大小，也要兼顾永磁体所受径向应力的大小。同时，电机在实际运行当中的转速有可能超出额定转速，因此在选择过盈量时应在满足安全系数的基础上留有余量。通过计算结果的对比分析，该电机永磁体与护套之间的最佳过盈配合为0.12 mm，此时永磁体与护套的应力分布具体见图2。
3 结语
通过对转子在不同过盈量下受力状态的分析得出了转子护套等效应力、永磁体等效应力以及永磁体径向应力随过盈配合改变的变化规律。综合考虑永磁体与护套的受力状态和电机运行中可能超出额定转速的实际情况，从计算结果中可以得出0.12 mm为最佳过盈量选取值。
参考文献
[1] 张凤阁，杜光辉，王天煜，等.高速电机发展与设计综述[J].电工技术学报，2016，31（7）：1-18.
[2] 程鑫，曾国辉，杜光辉.超高速永磁电机转子结构的研究[J].机电工程，2019，36（11）：1226-1230.
[3] 陈亮亮，祝长生，王萌.碳纤维护套高速永磁电机热态转子强度[J].浙江大学学报：工学版，2019，49（1）：162-172.
[4] 吴震宇，曲荣海，李健，等.表贴式高速永磁电机多场耦合转子设计[J].电机与控制学报，2016，20（2）：98-103，111.
[5] 刘威，陈进华，崔志琴，等.高速永磁电机碳纤维护套转子综合特性研究[J].微特电机，2017，45（12）：1-4，13.
[6] 杨振中，许欣，段宗玉，等.表贴式永磁电机碳纤维护套转子强度及过盈量分析[J].电机与控制应用，2019，46（10）：6-13.
[7] 刘锐，晏才松，曾纯，等.高速永磁电机转子过盈配合设计及仿真研究[J].微特电机，2020，48（2）：17-19，28.
关键词：表贴式永磁电机 强度分析 合金护套 有限元分析
中图分类号：TM355 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）05（b）-0066-04
Abstract： When the surface-mounted rotor of a high-speed permanent magnet motor runs at high speed， the rotor will be damaged by huge centrifugal force. In order to ensure the safe operation of the motor， an alloy sleeve is applied to the surface mount rotor， and the permanent magnet is pre-tightened through the interference fit between the sleeve and the permanent magnet to ensure that the permanent magnet runs at high speed there is still contact stress with the rotor. Aiming at the problem of selecting the magnitude of the interference fit between the sleeve and the permanent magnet， the ANSYS Workbench were used to explore the changing law of the force of the permanent magnet and the sleeve under different interference fits， according to the analysis results， the best design scheme of the sheath was determined.
Key Words： Surface mounted permanent magnet motor; Strength analysis; Alloy sleeve; Finite element analysis
高速永磁电机具有功率密度高、体积小、效率高的优异性能，在航空航天领域、高性能伺服领域、分布式发电及飞轮储能领域有着广泛的应用[1]。永磁电机拥有诸多优点的同时也存在自身的缺陷，由于永磁材料具有不能够承受较大拉应力的特性，在高速表贴式转子的设计中满足电机机械性能的要求至关重要。当电机处于高速运行状态时，电机转子会受到巨大的离心力作用而导致贴附于转子表面的永磁体损坏。为了保证电机能够在高速的状态下安全运行，通常在永磁体外侧安装一层合金护套或碳纤维护套，通过护套与永磁体之间的过盈配合对永磁体施加预紧力，确保永磁体在电机运行的过程中始终与转子间存在接触压力[2]。
转子护套过盈量的选取对电机的机械性存在很大的影响。当护套过盈量取值过大时会导致装配困难、护套所受应力过大等问题;当过盈量取值较小时在离心力的作用下护套会发生脱落现象，失去了其对永磁体保护的意义。因此，对于表贴式高速永磁电机，其护套过盈量的选取至关重要。对比国内外学者已进行的相关研究，陈亮亮等人[3]推导了高速热态永磁转子的强度解析解，并采用有限元法分析了1台表贴式高速永磁电机的转子强度;吴震宇等人[4]采用有限元法基于多物理场耦合优化转子设;刘威等人[5]综合分析了采用碳纤维护套时电机转子的应力变化规律;杨振中等人[6]对采用碳纤维护套的表贴式永磁电机进行了转子强度及护套过盈量分析;刘锐等人[7]对高速永磁电机转子的过盈量配合进行了仿真分析研究。该文利用ANSYS有限元软件对转子护套不同过盈量情况下的强度进行了分析，得出护套过盈量对转子机械强度的影响规律。
1 表贴式转子结构及参数
该文所研究的转子由转轴、永磁体、合金护套这3个部分组成，转子结构模型见图1。选取永磁转子的设计参数：护套外径56 mm;永磁体外径52 mm;永磁体内径42 mm;转轴外径42 mm。
转子各部件材料属性的不同显著影响高速表贴式永磁转子机械性能，转子各部分的材料属性及具体参数如表1所示。
2 基于有限元计算的转子强度分析
2.1 有限元模型的建立与前处理
该文有限元分析的目的是研究转子护套和永磁体在不同过盈条件下的应力，因此模型只取出电机中转子护套、永磁体以及转轴进行分析。
转子所有尺寸确定的情况下，用过ANSYS Workbench有限元软件对采取不同过盈量配合时护套与永磁体的受力状态进行分析。在前处理过程中，将永磁体与护套间设置为非线性接触，摩擦系数取0.2，转子转速为30 000 r/min，过盈量设置为0.06～0.20 mm，步长为0.02 mm。 2.2 表贴式转子强度计算结果分析
取不同過盈量配合时永磁体与护套的受力情况，见表2。从计算结果可以看出，随着护套与永磁体间静态过盈量的增加，护套所受的等效应力也随之增大;永磁体所受的径向应力与切向应力始终为压应力，其大小也随着过盈量的增大而逐渐增大。
转子护套的屈服强度为800 MPa，永磁体的屈服强度为80 MPa。在实际应用中，转子所受的应力通常需要留有裕量，安全系数一般为1.3，即护套所受的最大应力不能超过615.39 MPa。永磁体所受的最大应力不能超过61.54 MPa。
根据分析结果可以得出，虽然永磁体与护套所受的应力随过盈量的增加呈线性递增变化，但是护套应力的变化速度远大于永磁体受力的变化速度。当过盈量的取值从0.06～0.20 mm时，永磁体的等效应力从19.24 MPa增加到69.40 MPa;护套的等效应力从262.84 MPa增加到874.74 MPa;当过盈量取值为0.14 mm时，护套所受的最大应力值已达到最大安全值;当过盈量取值为0.16 mm时，永磁体的最大应力值接近其能承受的最大安全值。在过盈量的取值变化过程中，永磁体的径向应力始终为压应力。
在选取过盈量时，既要考虑护套和永磁体所承受的最大等效应力的大小，也要兼顾永磁体所受径向应力的大小。同时，电机在实际运行当中的转速有可能超出额定转速，因此在选择过盈量时应在满足安全系数的基础上留有余量。通过计算结果的对比分析，该电机永磁体与护套之间的最佳过盈配合为0.12 mm，此时永磁体与护套的应力分布具体见图2。
3 结语
通过对转子在不同过盈量下受力状态的分析得出了转子护套等效应力、永磁体等效应力以及永磁体径向应力随过盈配合改变的变化规律。综合考虑永磁体与护套的受力状态和电机运行中可能超出额定转速的实际情况，从计算结果中可以得出0.12 mm为最佳过盈量选取值。
参考文献
[1] 张凤阁，杜光辉，王天煜，等.高速电机发展与设计综述[J].电工技术学报，2016，31（7）：1-18.
[2] 程鑫，曾国辉，杜光辉.超高速永磁电机转子结构的研究[J].机电工程，2019，36（11）：1226-1230.
[3] 陈亮亮，祝长生，王萌.碳纤维护套高速永磁电机热态转子强度[J].浙江大学学报：工学版，2019，49（1）：162-172.
[4] 吴震宇，曲荣海，李健，等.表贴式高速永磁电机多场耦合转子设计[J].电机与控制学报，2016，20（2）：98-103，111.
[5] 刘威，陈进华，崔志琴，等.高速永磁电机碳纤维护套转子综合特性研究[J].微特电机，2017，45（12）：1-4，13.
[6] 杨振中，许欣，段宗玉，等.表贴式永磁电机碳纤维护套转子强度及过盈量分析[J].电机与控制应用，2019，46（10）：6-13.
[7] 刘锐，晏才松，曾纯，等.高速永磁电机转子过盈配合设计及仿真研究[J].微特电机，2020，48（2）：17-19，28.