100 krpm~10 kW高速永磁电机转子系统的设计与校核研究

本文研究的目的是开发一台额定功率为10 kW、最高转速为100 krpm的燃料电池空压机用高速永磁同步电机。针对永磁电机在超高转速下存在的离心应力过大导致永磁体拉伸变形失磁，以及细长转子在高速下容易发生扭转共振问题，本文重点研究高速转子系统的设计与校核。通过有限元分析研究了护套过盈量和厚度对转子部件应力应变的影响，确定了永磁体与护套之间的最佳过盈量与保护套厚度。转子系统的高速模态分析结果表明，转子系统的一、二阶临界转速远大于电机的最高工作转速，设计的电机转子系统在高速运行时不会发生扭转共振现象。

燃料电池作为一种新能源技术，逐渐成为主流的汽车动力源，其中，空压机是决定其效率和成本的重要部件。目前，空压机存在与驱动电机的最高工作效率点不匹配导致系统效率不高的问题，所以高速电机的设计逐渐受到国际电工领域的重视，在电机设计的过程中，转子动力学问题是其技术难点之一， 电机高速旋转时转子系统受到巨大的离心力与电磁力，转子易出现变形失磁与共振[1]。因此近些年来高速永磁电机转子系统的设计受到了国内外学者广泛的关注。

B Riemer，M Lemann [2]等人对一台10 kW 的高速永磁电机进行转子结构强度设计。江苏大学的张涛、孙晓东[3]等人分别使用有限元法和解析法对高速电机的转子强度进行分析，确保电机在最高转速运行时拥有足够的机械强度。李振平[4]等人基于有限元分析和解析法，对一台最高转速为72,000 r/min 的永磁电机，分析转子结构强度在永磁体与护套不同过盈量下的变化。沈阳工业大学的王凤翔[5]等人对转子强度与转子临界转速的仿真分析进行了多方面的研究，提供了大量的理论指导。

本文对电机转子的结构强度进行理论分析， 基于Abaqus 分析转子在不同条件下的冯米塞斯应力变化以及在不同转速范围下的最大变形量， 验证其刚度是否符合要求。

最终， 对整个转子系统进行模态分析， 计算其在各阶固有振动频率下对应的临界转速，得出设计的高速永磁电机转子系统满足转速需求。

2. 转子系统机械设计考虑与校核要求 2.1. 永磁体与护套之间的过盈量 表贴式永磁体和护套之间的过盈装配如图1 所示，其中sp 为施加在护套表面的预压力(Pa)；eor 为护套外半径(m)；eir 为护套内半径(m)；mor为永磁体外半径(m)；mir 为永磁体内半径(m)。

永磁体和护套之间的过盈量大小对两者之间的静态接触应力和高速下的离心力有重大影响[6]。过盈量选取过小，永磁体抗压特性不能合理利用，高速条件下永磁体的退磁风险增大；过盈量选取过大，永磁体的内部结构可能会出现永久性损伤。因此，过盈量的选取应结合高速永磁电机的具体结构参数，过盈量的计算公式为：