高速永磁电机转子特性分析及结构优化设计

论文摘要

近年来,用于分布式供电系统的微型燃气轮机驱动高速发电机越来越受到人们的关注。高速永磁电机的特点是转速高、电机尺寸小、功率密度大、效率高等。但也正是由于以上的这些特点,使得在其设计中产生了一系列新的问题,需要进行研究。由于电机的转速很高,通常在30000r/min,甚至超过100000r/min,所以永磁转子的设计是关键,要统筹考虑机械、电磁及转子动力特性多方面的要求。本文正是在这样的背景下以高速永磁电机转子为研究对象,对其设计方法及上面提到的三种特性进行了综合研究。首先,对高速永磁电机进行定、转子结构设计,确定其基本尺寸。研究了高速永磁电机的转子强度、电磁及模态分析方法,并对高速永磁电机转子的特性进行综合分析。讨论了不同转子结构及定子结构对转子上述三种特性的影响,得出适用于高速永磁电机的规律性结论。其次,进行基于应力场、电磁场及转子动力特性综合分析的高速永磁电机转子优化设计。利用ANSYS优化分析模块将有限元非线性接触分析、瞬态电磁场分析及转子模态分析相结合,在满足转子强度、电磁及动力特性的基础上对转子进行优化。通过试验验证分析方法的正确性,间接的证明了最优解的可信性。最后,以60000r/min,100kW高速永磁电机的转子为依据,分析其不平衡磁拉力及质量偏心离心力,通过转子动力响应的分析方法即非线性NEWMARK隐式积分法计算了转子在上述两力作用下的非线性不平衡响应,并得到多种轴心轨迹,总结了高速永磁电机转子振动随转速的变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 国内外高速电机的研究现状
• 1.2.1 国外高速电机的研究现状
• 1.2.2 国内高速电机的研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第二章 高速永磁电机转子特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 高速永磁电机定、转子结构及基本尺寸的确定
• 2.2.1 高速永磁电机定子结构设计
• 2.2.2 定子基本尺寸的确定
• 2.2.3 永磁转子结构设计
• 2.2.4 转子基本尺寸的确定
• 2.3 高速永磁电机转子特性分析
• 2.3.1 永磁转子机械特性分析
• 2.3.2 永磁转子电磁特性分析
• 2.3.3 永磁转子动力特性分析
• 2.4 高速永磁电机不同转子结构对转子特性的影响
• 2.4.1 不同转子结构对转子机械特性的影响
• 2.4.2 不同转子结构对转子电磁特性的影响
• 2.4.3 不同转子结构对转子动力特性的影响
• 2.5 定子结构对转子特性的影响
• 2.5.1 不同定子槽数对转子涡流损耗的影响
• 2.5.2 磁性槽楔对转子涡流损耗的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于应力场、电磁场及转子动力特性综合分析的高速永磁电机转子优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 高速永磁电机转子优化设计方法
• 3.2.1 优化设计变量及目标函数的确定
• 3.2.2 优化设计方法的研究
• 3.2.3 优化约束条件的确定
• 3.3 优化设计实例
• 3.4 优化分析方法的实验验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 高速永磁电机转子系统振动特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 不平衡磁拉力的计算与分析
• 4.3 质量偏心离心力的计算与分析
• 4.4 转子的动力响应分析
• 4.4.1 转子动力响应分析方法
• 4.4.2 转子动力响应计算结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢