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由于表貼式高速永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度大、效率高等優(yōu)點，成為高速電機領(lǐng)域的研究熱點之一高速永磁電機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，很適合在永磁電機中使用。但稀土永磁材料的抗壓強度大而抗拉強度小，表貼式高速永磁電機轉(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，必須對電機轉(zhuǎn)子上的永磁體采取專門的保護措施。
通常，表貼式高速永磁電機轉(zhuǎn)子永磁體的保護一般采用兩種方法：一種是在永磁體外采用高強度的復(fù)合材料，如用碳纖維或玻璃纖維進行綁扎；另一種方法是在永磁體的外層設(shè)置一高強度的非導(dǎo)磁金屬保護套.與采用非導(dǎo)磁金屬護套相比，高強度的復(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。采用高強度碳纖維綁扎防護套的不足在于復(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)置一高強度的非導(dǎo)磁金屬保護套的表貼式高速永磁電機的強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強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的高速永磁電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力應(yīng)變分析。在該臺樣機中，永磁體采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，永磁體保護方式采用外設(shè)碳纖維保護套結(jié)構(gòu)。kolondzhovski等設(shè)計了高速電機，該電機的永磁體采用的是碳纖維綁扎。
目前，表貼式高速永磁電機的轉(zhuǎn)子強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的永磁體和碳纖維保護套的強度分析的解析計算方法還鮮見報道。除了2極電機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大都采用分塊永磁體的結(jié)構(gòu)。本文基于彈性力學理論，推導(dǎo)了分塊永磁體結(jié)構(gòu)表貼式高速永磁電機的永磁體和保護套的應(yīng)力計算公式，并利用有限元法對解析計算結(jié)果進行了對比分析，驗證了解析解的有效性。
分塊永磁體表貼式高速永磁電機轉(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。為了對永磁體進行保護，在永磁體外用碳纖維對永磁體進行綁扎，分塊永磁體表貼式高速永磁電機轉(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，保護套的內(nèi)、外半經(jīng)分別為Rh和Rho，其尺寸標注如圖所示。
為了對分塊永磁體表貼式高速永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行應(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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