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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-6249
摘 要：内置式高速永磁电机转子在高速运行时，因受到巨大离心力的作用，极易受到损坏。针对该问题借助有限元软件对“一”字型径向充磁内置式永磁电机转子进行了强度仿真分析。提出了一种永磁体“一”字型分段内置式转子结构，通过计算不同加强筋数量时转子所受的最大应力，总结出加强筋数量对转子机械性能的影响规律，通过结果对比得出永磁体周向分段结构能有效减小转子所受应力的最大值，对高速内置式永磁转子设计具有一定的指导意义。
关键词：内置式永磁电机 强度分析 加强筋 有限元分析
中图分类号：TM355 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0059-04
Mechanical Strength Analysis of High Speed Interior Permanent Magnet Synchronous Motor
ZHAO Liang
（Guoneng Baorixile Energy Corporation， Hulunbeier， Inner Mongolia autonomous region， 021500 China）
Abstract： The rotor of the interior permanent magnet synchronous motor （IPMSM） is easily damaged due to the huge centrifugal force during high-speed operation. In order to solve this problem， the strength analysis of the rotor of the IPMSM with radial magnetization is carried out by the finite element analysis. In this paper， a "一" shaped segmented interior permanent magnet rotor structure is proposed. By calculating the maximum stress of the rotor with different number of stiffeners， the influence of the number of stiffeners on the mechanical properties of the rotor is summarized. Through the comparison of the results， it is concluded that the circumferential segmented structure of permanent magnet can effectively reduce the maximum stress on the rotor， which has a certain value for the design of high-speed built-in permanent magnet rotor guiding significance.
Key Words： IPMSM; Strength analysis; Stiffener; Finite element analysis
随着电机的不断发展，对电机的要求也在不断提高，永磁电机因其结构简单、可靠性强、体积小、功率密度大，效率高等优点广受关注[1]。但是，由于永磁电机在高速旋转时，转子会承受较大的离心力，因此该类电机的设计理念与常规电机有很大不同，首先要确保高速电机结构的机械强度和可靠性。电机运行时转子部分所受的应力比较大，尤其是永磁体隔离桥部分所受的应力，这成为了电机设计的一项关键的制约因素。而对转子中永磁体进行分段，增加加强筋的数量，可以有效减小隔离桥部分所受的应力[2]。本文分析了永磁体的加强筋数量和其受力情况之间的关系。
1 高速永磁结构的转子结构
对于高速永磁電机，其转子结构主要可分为表贴式结构和内置式结构。表贴式电机转子结构的永磁体设计为瓦片型，贴附于转子铁心的外表面。电机处于高速运行状态时，外层永磁体会受到巨大的离心力而与转子脱离，因此当采用该结构时需在永磁体外部装配具有一定过盈量的碳纤维护套或合金护套，以确保电机在运行过程中永磁体能与转子铁心之间始终存在接触压力，不会因离心力被抛散或损坏[3-6]。内置式永磁电机的转子不需要护套来对永磁体进行保护，而是将永磁体内嵌在转子铁心中，所以相对于表贴式电机其电磁气隙的长度较小。同时由于电机存在dq轴不对称，凸极效应产生的附加磁阻转矩将进一步提高电机的效率。常见的表贴式转子和内置式转子的结构示意图如图1所示。
但是“一”字型内置式永磁电机由于极靴的厚度相对较薄，且其距离旋转中心的距离最远，当电机高速运行时将受到巨大的离心力作用而产生严重形变，因此转子的最大受力点将出现在连接极靴的隔磁桥部分，这成为了内置式永磁电机设计的一项关键的制约因素。
为了改善内置式转子的机械性能，本文选取永磁体分段式转子，在分段永磁体中间增加加强筋结构，并对其机械性能进行了计算分析。
2 基于有限元计算的转子强度分析
本文以一台“一”字型转子结构的高速永磁电机为例，对比了永磁体分段前后转子应力的变化，并对采用不同分段数时应力的变化规律进行了总结，转子材料参数见表1所示。 2.1 有限元模型的建立与边界条件施加
通过SolidWork软件根据电机转子的实际尺寸进行适当简化建立三维模型，并将其导入到ANSYS Workbench當中进行有限元分析计算。电机转子在实际运行中会受到电磁力、永磁体与铁心的吸引力以及由高速旋转产生的离心力共同作用。通过计算分析表明，高速电机转子所受的离心力远大于径向电磁力和永磁体的吸引力，因此为了节省计算的时间，在设置边界条件时通常将其忽略。
在内置式转子强度分析中作如下假设。
（1）忽略电机运行时温度变化对应力计算产生的影响。
（2）仅考虑转子稳态运行时的应力分布状态。
（3）忽略转子振动对应力计算的影响。
（4）忽略电磁力对应力计算的影响。
进行设置的仿真条件如下。
（1）将转子铁心内圆柱表面设置为圆柱支撑面约束，转子在切向上自由，而在法向和轴向上被固定。
（2）对整体转子模型施加离心力，转速设置为30000r/min，旋转轴设置为与转子转轴重合。
（3）在转子旋转过程中，永磁体与极靴部分会发生较大形变，将硅钢片与靠近转子外侧的永磁体上表面设置为绑定接触。
2.2 内置式转子强度分析
首先，对永磁体不分段的情况进行了计算，结果如图2所示。从计算结果可以看出，转子的最大受力点出现在隔磁桥部分为906.98MPa，超出了转子铁心材料的应力许用范围，该结构不满足电机的使用条件。
采用永磁体分段结构，并在分段永磁体中间增加加强筋，加强筋的厚度设计为1mm，在分段过程中应始终保持永磁体的总长度不变，分析不同加强筋数量对转子应力大小的影响规律。
如图3所示，从计算结果中可以看出，增加加强筋结构能够有效降低转子所受的最大应力。如表2当加强筋数量为1根时，转子最大应力从无加强筋结构的906.98MPa下降到443.55MPa，应力幅值减小了51.09%;加强筋的个数从1根增加到2根时，应力幅值减小了35.29%;加强筋的个数从2根增加到3根时，应力幅值减小了26.22%。
从转子最大应力的下降幅度来看，与无加强筋转子结构相比，增加一根加强筋的转子结构能够大幅度的增强转子的机械性能，使转子强度满足于电机机械性能的要求。当继续增加加强筋个数时，转子的最大应力值也会不断减小，但是减小程度逐渐减弱。因此，当加强筋数量增加到一定程度后，仅单纯增加加强筋根数难以有效减小转子的最大应力。同时，永磁体分段也会对电机的电磁性能造成影响，随着加强筋个数的增加，转子部分的漏磁增大，不利于提高电机电磁性能。
3 结语
（1）从理论上分析了“一”字型内置式转子所受最大应力点将出现在隔磁桥部位，并用有限元软件进行验证。
（2）采用了永磁体分段、增加加强筋的转子结构，并对不同加强筋数量的转子利用有限元软件进行了强度分析。结果表明，随着加强筋数量的增加，转子受力逐渐减小，但减小的幅度逐渐缩减。
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] 王雨.高速永磁电机转子结构与强度分析[J].防爆电机，2019，54（1）：30-32.
[3] 李伟力，候富余，沈稼丰.计及转子护套与永磁体机械强度的高速永磁同步电机多物理场研究[J].北京交通大学学报，2019，43（5）：110-118.
[4] 张萌，韩雪岩，杨毅.基于ANSYS的高速表贴式永磁电机转子强度分析[J].电工技术，2019（9）：8-11.
[5] 王凯东，李宏浩，张超.高速内置式永磁转子设计与机械特性分析[J].机械管理开发，2019，34（4）：1-2，40.
[6] 万援，崔淑梅，吴绍朋.扁平大功率高速永磁同步电机的护套设计及其强度优化[J].电工技术学报，2018，33（1）：55-63.
摘 要：内置式高速永磁电机转子在高速运行时，因受到巨大离心力的作用，极易受到损坏。针对该问题借助有限元软件对“一”字型径向充磁内置式永磁电机转子进行了强度仿真分析。提出了一种永磁体“一”字型分段内置式转子结构，通过计算不同加强筋数量时转子所受的最大应力，总结出加强筋数量对转子机械性能的影响规律，通过结果对比得出永磁体周向分段结构能有效减小转子所受应力的最大值，对高速内置式永磁转子设计具有一定的指导意义。
关键词：内置式永磁电机 强度分析 加强筋 有限元分析
中图分类号：TM355 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0059-04
Mechanical Strength Analysis of High Speed Interior Permanent Magnet Synchronous Motor
ZHAO Liang
（Guoneng Baorixile Energy Corporation， Hulunbeier， Inner Mongolia autonomous region， 021500 China）
Abstract： The rotor of the interior permanent magnet synchronous motor （IPMSM） is easily damaged due to the huge centrifugal force during high-speed operation. In order to solve this problem， the strength analysis of the rotor of the IPMSM with radial magnetization is carried out by the finite element analysis. In this paper， a "一" shaped segmented interior permanent magnet rotor structure is proposed. By calculating the maximum stress of the rotor with different number of stiffeners， the influence of the number of stiffeners on the mechanical properties of the rotor is summarized. Through the comparison of the results， it is concluded that the circumferential segmented structure of permanent magnet can effectively reduce the maximum stress on the rotor， which has a certain value for the design of high-speed built-in permanent magnet rotor guiding significance.
Key Words： IPMSM; Strength analysis; Stiffener; Finite element analysis
随着电机的不断发展，对电机的要求也在不断提高，永磁电机因其结构简单、可靠性强、体积小、功率密度大，效率高等优点广受关注[1]。但是，由于永磁电机在高速旋转时，转子会承受较大的离心力，因此该类电机的设计理念与常规电机有很大不同，首先要确保高速电机结构的机械强度和可靠性。电机运行时转子部分所受的应力比较大，尤其是永磁体隔离桥部分所受的应力，这成为了电机设计的一项关键的制约因素。而对转子中永磁体进行分段，增加加强筋的数量，可以有效减小隔离桥部分所受的应力[2]。本文分析了永磁体的加强筋数量和其受力情况之间的关系。
1 高速永磁结构的转子结构
对于高速永磁電机，其转子结构主要可分为表贴式结构和内置式结构。表贴式电机转子结构的永磁体设计为瓦片型，贴附于转子铁心的外表面。电机处于高速运行状态时，外层永磁体会受到巨大的离心力而与转子脱离，因此当采用该结构时需在永磁体外部装配具有一定过盈量的碳纤维护套或合金护套，以确保电机在运行过程中永磁体能与转子铁心之间始终存在接触压力，不会因离心力被抛散或损坏[3-6]。内置式永磁电机的转子不需要护套来对永磁体进行保护，而是将永磁体内嵌在转子铁心中，所以相对于表贴式电机其电磁气隙的长度较小。同时由于电机存在dq轴不对称，凸极效应产生的附加磁阻转矩将进一步提高电机的效率。常见的表贴式转子和内置式转子的结构示意图如图1所示。
但是“一”字型内置式永磁电机由于极靴的厚度相对较薄，且其距离旋转中心的距离最远，当电机高速运行时将受到巨大的离心力作用而产生严重形变，因此转子的最大受力点将出现在连接极靴的隔磁桥部分，这成为了内置式永磁电机设计的一项关键的制约因素。
为了改善内置式转子的机械性能，本文选取永磁体分段式转子，在分段永磁体中间增加加强筋结构，并对其机械性能进行了计算分析。
2 基于有限元计算的转子强度分析
本文以一台“一”字型转子结构的高速永磁电机为例，对比了永磁体分段前后转子应力的变化，并对采用不同分段数时应力的变化规律进行了总结，转子材料参数见表1所示。 2.1 有限元模型的建立与边界条件施加
通过SolidWork软件根据电机转子的实际尺寸进行适当简化建立三维模型，并将其导入到ANSYS Workbench當中进行有限元分析计算。电机转子在实际运行中会受到电磁力、永磁体与铁心的吸引力以及由高速旋转产生的离心力共同作用。通过计算分析表明，高速电机转子所受的离心力远大于径向电磁力和永磁体的吸引力，因此为了节省计算的时间，在设置边界条件时通常将其忽略。
在内置式转子强度分析中作如下假设。
（1）忽略电机运行时温度变化对应力计算产生的影响。
（2）仅考虑转子稳态运行时的应力分布状态。
（3）忽略转子振动对应力计算的影响。
（4）忽略电磁力对应力计算的影响。
进行设置的仿真条件如下。
（1）将转子铁心内圆柱表面设置为圆柱支撑面约束，转子在切向上自由，而在法向和轴向上被固定。
（2）对整体转子模型施加离心力，转速设置为30000r/min，旋转轴设置为与转子转轴重合。
（3）在转子旋转过程中，永磁体与极靴部分会发生较大形变，将硅钢片与靠近转子外侧的永磁体上表面设置为绑定接触。
2.2 内置式转子强度分析
首先，对永磁体不分段的情况进行了计算，结果如图2所示。从计算结果可以看出，转子的最大受力点出现在隔磁桥部分为906.98MPa，超出了转子铁心材料的应力许用范围，该结构不满足电机的使用条件。
采用永磁体分段结构，并在分段永磁体中间增加加强筋，加强筋的厚度设计为1mm，在分段过程中应始终保持永磁体的总长度不变，分析不同加强筋数量对转子应力大小的影响规律。
如图3所示，从计算结果中可以看出，增加加强筋结构能够有效降低转子所受的最大应力。如表2当加强筋数量为1根时，转子最大应力从无加强筋结构的906.98MPa下降到443.55MPa，应力幅值减小了51.09%;加强筋的个数从1根增加到2根时，应力幅值减小了35.29%;加强筋的个数从2根增加到3根时，应力幅值减小了26.22%。
从转子最大应力的下降幅度来看，与无加强筋转子结构相比，增加一根加强筋的转子结构能够大幅度的增强转子的机械性能，使转子强度满足于电机机械性能的要求。当继续增加加强筋个数时，转子的最大应力值也会不断减小，但是减小程度逐渐减弱。因此，当加强筋数量增加到一定程度后，仅单纯增加加强筋根数难以有效减小转子的最大应力。同时，永磁体分段也会对电机的电磁性能造成影响，随着加强筋个数的增加，转子部分的漏磁增大，不利于提高电机电磁性能。
3 结语
（1）从理论上分析了“一”字型内置式转子所受最大应力点将出现在隔磁桥部位，并用有限元软件进行验证。
（2）采用了永磁体分段、增加加强筋的转子结构，并对不同加强筋数量的转子利用有限元软件进行了强度分析。结果表明，随着加强筋数量的增加，转子受力逐渐减小，但减小的幅度逐渐缩减。
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] 王雨.高速永磁电机转子结构与强度分析[J].防爆电机，2019，54（1）：30-32.
[3] 李伟力，候富余，沈稼丰.计及转子护套与永磁体机械强度的高速永磁同步电机多物理场研究[J].北京交通大学学报，2019，43（5）：110-118.
[4] 张萌，韩雪岩，杨毅.基于ANSYS的高速表贴式永磁电机转子强度分析[J].电工技术，2019（9）：8-11.
[5] 王凯东，李宏浩，张超.高速内置式永磁转子设计与机械特性分析[J].机械管理开发，2019，34（4）：1-2，40.
[6] 万援，崔淑梅，吴绍朋.扁平大功率高速永磁同步电机的护套设计及其强度优化[J].电工技术学报，2018，33（1）：55-63.