电机设计中的机械问题

报告人：梅志远二〇一五年四月二十二日湖北武汉电机设计中的机械问题新型永磁电机及其控制2汇报提纲概要1相关的机械问题探讨2研究热门与展望33概要14概要电机是一个能实现机电能量或信号转换的电磁装置磁机电5概要本次报告的主要内容1.对电机的结构进行简介2.对电机设计中一些典型的机械问题进行介绍3.研究热门与研究前景6电机的结构介绍27电机的结构电机（直线/旋转）(直流/交流）交流电机（异步/同步）定子转子支撑与连接不同的电机类别电机的结构不同的电机类别决定了电机结构的不同8直流电机的结构定子：主磁极，换向极，电刷装置，机座转子：电枢铁芯，电枢绕组，换向器支撑、连接与其他辅助装置图整体结构图图横剖面示意图9三相异步电机的结构定子：定子铁芯，定子绕组，机座转子：转子铁芯，转子绕组，转轴支撑、连接与其他辅助装置图整体分解图图绕线转子接线示意图图笼型转子示意图10永磁电机的分类直线永磁电机旋转永磁电机永磁直流电机永磁交流电机永磁有刷电机永磁无刷电机内转子电机外转子电机自起动永磁电机调速永磁电机运动轨迹工作电源电刷和换向器定转子结构位置起动与运行方式不同的类别决定了永磁电机结构的不同11永磁无刷直流电机的结构图整体装配图图永磁体和保护套的结构图图定子铁芯与U型绕组结构示意图效率高，可靠性高，转子磁钢磁性能很强，强度低端盖的转轴导向孔保证装卸方便，定转子不会吸合套筒提高转子的机械强度，保护永磁体范军大功率永磁无刷直流电机结构设计RyoheiOishi,SatoshiHorima,HiroyaSugimotoANovelParallelMotorWindingStructureforBearinglessMotors12调速永磁同步电机的结构无需电刷与换向器，结构简单，效率高采用变频器起动，转子上无需起动绕组图调速永磁同步电机转子结构类型隐极转子结构表面凸出式凸极转子结构表面插入式内置式根据永磁体磁化方向与转子旋转方向的关系冯圭径永磁同步电动机设计关键技术与方法研究13异步起动永磁同步电机的结构能直接起动，体积小，重量轻，效率和功率因素高一般采用笼型转子绕组，采用内置式永磁转子，分为径向，切向和混合式其结构大体相当于是在感应电机的转子上放置永磁体图异步起动永磁同步电机的转子结构类型LeiWang,XianmingDeng,JiaLuDesignandFiniteElementAnalysisofPermanentMagnetSynchronousMotorwithNovelRotorType14内置式永磁同步电机（IPM）的结构图一种内置式永磁同步电机的横截面图内置式永磁同步电机的整体示意图结构简单，工艺实施成熟具有退磁的防护作用D轴电感小于q轴电感，具有磁阻转矩更宽恒功率范围和优良的弱磁扩速能力C.F.WangJ.X.ShenP.C.K.LukW.Z.DesignissuesofanIPMmotorforEPS15内置式永磁同步电机（IPM）的结构图聚磁内置式永磁同步电机各类型转子图CFFM型电机(a)L型转子(b)定子(c)整机图CFFM型各种不同转子结构的反电势波形Hae-JoongKim,Doo-YoungKimStructureofConcentrated-Flux-TypeInteriorPermanent-MagnetSynchronousMotors……16转子结构对永磁同步电机性能的影响图U型和W型转子结构剖面图图U型和W型转子结构异步起动转矩/转差率曲线图一种新型的转子结构改善气隙磁密，降低高次谐波分量更高的转子永磁利用率更大的负载容量LeiWang,XianmingDeng,JiaLuDesignandFiniteElementAnalysisofPermanentMagnetSynchronousMotorwithNovelRotorType转子的结构对永磁同步电机性能有很大影响17外转子永磁同步电机的结构图外转子永磁同步电机的结构示意图大体结构与常规永磁同步电机相同转子在电机的外侧高功率密度，低转动惯量应用空间广，高效节能李晓峰外转子永磁同步电机的结构及工艺丁再春浅谈外转子永磁同步电机结构及其制造工艺18新型Halbach次级结构永磁同步直线电机图直线电机示意图结构紧凑、定位精度高、加减速性能好功率密度大，具有良好的磁屏蔽作用效率高，静动态性好，高速性能好ZhangLuKouBaoquanZhaoBinchaoANovelSynchronousPermanentMagnetLinearMotorwithHalbachSecondaryStructure图直线电机样机的初级图直线电机有限元仿真模型图直线电机样机的次级19新型行星电机的结构图多转子行星电机结构图史炎行星电机的结构和设计图单转子行星电机结构图图直线旋转电机结构图图行星电机原理图转子做行星运动，一边绕自身中心旋转，一边绕定子中心公转转子自转带动磁场翻转，公转选择电流方向行星电机无专门的换相控制器，转子依附在行星轮上具有机电双重调速功能，调速范围宽广20相关的机械问题探讨321目录电机的强度校核电机的振动问题电机的磁桥设计电机中的电磁力22电机的强度校核23弹塑性力学基本理论胡光伟高速内置式永磁同步电机结构强度分析与电磁校核当材料受外载荷作用且处于弹性阶段时，应力与应变呈线性关系，随着载荷的增加，材料的应力逐渐增大。当材料的等效应力达到屈服极限时，材料就开始屈服，发生塑性变形材料屈服基本理论——VonMises屈服准则：如果材料处于平面应力状态，则VonMises屈服条件为：式中，𝐽2为应力偏张量第二不变量，𝑘1是与材料有关的常数如果材料处于平面应力状态,则VonMises屈服条件为:如果采用等效应力𝜎𝑖，则Mises屈服条件可写成形式:当等效应力等于单向屈服极限时，材料开始进入塑性状态本构关系:在弹塑性力学中，本构关系目前常用两种理论：全量理论和增量理论。增量理论也称为流动理论，通过它可以建立应力增量与应变增量之间的联系。本构方程：24电机的强度校核电机转轴电机转子机座及其它支撑件校核部位校核内容最大等效应力最大剪切应力疲劳应力，应变及其它校核方式解析法有限元法25电机的强度校核步骤陈浩张国强永磁同步电机结构应力测试及整体强度有限元分析几何模型建立载荷加载约束施加仿真对称边界条件设置接触面条件设置材料设置网格剖分设置有限元法的校核的一般步骤：26一种新的电机的强度校核方法陈远扬，韩则胤高速内嵌式永磁电动机转子机械强度分析考虑到在永磁电机高速运行时，其机械应力大部分由离心应力引起，故可先采用简化分析模型可以估算出其所能承受最大应力。电磁和结构有限元计算可以分析电磁力和离心力的影响，但是计算复杂、步骤较多。隔磁桥是内嵌式转子结构最容易断裂的部分，增加隔磁桥的宽度能够增强其机械强度，但是会降低电机的电磁性能。图V型转子(有无隔磁桥情况)离心应力简化模型分析法与有限元法比较简化分析模型是可行的的！27电机的振动问题28电机的振动参数图振动速度的测量点振动位移：反映了振动幅度的大小振动速度：反映了能量的大小振动加速度：反映了冲击力的大小图振动幅度的测量点低频中频高频振动强度在轴承或邻近主轴承的轴承罩壳上邻近轴承的径向平面内利用单频率正旋波转换29电机振动的评定标准按轴承振幅的评定标准按轴承振动烈度的评定标准按轴振幅的评定标准表3ISO2372推荐的各类机器的振动评定标准表发电机组轴相对振动的限值表附属机械轴承振动标准30电机振动的评定标准应用注意事项标准规定新装机组的轴承振动不宜大于30um标准规定的数值，适用于额定转速和任何负荷稳定工况标准对轴承的垂直、水平、轴向三个方向的振动测量进行了规定。在进行振动测量时，每次测量的位置都应保持一致在三个方向的任何一个方向的振动幅值超过了规定的数值，则认为该机组的振动状况是不合格的，应当采取措施来消除振动。规定临界转速的振动最大不超过100um规定若轴承座振动或轴振动的幅值合格，但变化量超过报警限值的25％，不论是振动变大或者变小都要报警功率在50MW以下的机组一般只测量轴承座振动，不要求测量轴振动。功率在200MW以上的机组要求同时测量轴承座振动和轴振动。功率大于50MW、小于200MW的机组，要求测量轴承座振动，而在有条件情况下或在新机组启动及对机组故障分析时，则测量轴振动31电机振动的原因电源供电质量不好，三相不平衡，有高次谐波绕组有短路或断路故障；电刷接触不好，压力过大、过小，刷质不合要求；断笼或端环开裂，松动；集电环的短接片与短路环接触不稳定；三相绕组不平衡；磁场中心线与几何中性线不对中定转子几何中心线不对中蔡克军电机振动原因分析电磁原因32电机振动的原因轴承损坏或两轴承室中心线不重复；地脚紧固不牢；转轴弯曲变形；基础台面倾斜不平；转子动平衡不良；电动机轴线中心与其所拖动机械轴线中心不一致；机械原因图电机轴与负载轴轴心线交叉图电机轴与负载轴轴心线平行蔡克军电机振动原因分析33永磁电机中的电磁振动CHENZhiyu，HUANGKaisheng，TIANYanfeResearchforSuppressingVibrationandNoiseofPermanentMagnetSynchronousMotor电机气隙中单位面积径向电磁力公式永磁电机的振动电磁振动径向电磁力波研究方法解析法数值仿真法经过解析法分析知力波幅值大或力波阶数可能比较低的项一共七项，这七项可以分为四类：2倍基波频率的项；6倍基波频率的项；与PWM变频器谐波频率相关的项；可能会产生2、4、6倍基波频率或与变频器谐波频率相关的项34永磁电机中的电磁振动Ik-SangJang1,Sang-HwanHam2,Won-HoKim3MethodforAnalyzingVibrationsDuetoElectromagneticForceinElectricMotorsD.H.Im,J.H.Chang,S.C.ParkAnalysisofRadialForceasaSource…图径向电磁力大小在时间谐波与空间谐波上的分布表径向电磁力谐波的特性实际测量有限元分析永磁电机的径向电磁力的确具有谐波的特性35永磁电机中的电磁振动抑制图转子开槽与不开槽转矩脉动对比图定子采用整数槽来减小电机径向电磁力转子上挖孔和开槽来降低气隙磁密幅值削弱齿槽转矩和转矩脉动陈治宇，黄开胜，田燕飞永磁同步电动机振动和噪声抑制的研究电磁振动抑制表不同极槽配合下的样机噪声测试值整数槽电机的径向力波个数明显小于分数槽电机，采用整数槽有利于抑制电机的振动和噪声转子开适当大小的通风口可改善电机的散热效果，同时结合适当的开槽，还可削弱齿槽转矩和转矩脉动，但也削弱了反电动势，导致输出转矩减小36磁致伸缩效应导致的永磁电机振动图不同时刻电磁力和磁致伸缩共同作用引起的瞬态形变(实验正弦波)定子铁心由硅钢片叠压而成，铁心由于硅钢片的磁致伸缩会引起内部发生变形和应力，使定子铁心随励磁频率的变化作周期性振动，当磁致伸缩频率与铁心固有频率发生共振时，会对电机的振动噪声有一定的影响韩雪岩，张哲，吴胜男考虑磁致伸缩效应永磁电机的振动噪声研究表两种电流源引起的电机振动对比37动平衡的介绍动平衡：当刚体的转轴通过质心且为惯性主轴时，刚体转动时不出现轴承动约束力动不平衡：电机转子在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力，离心力产生的力矩不能在轴中心抵消，产生一个力矩偏差力矩偏差会导致轴的弹性变形，轴的弹性变形使这个不平衡力矩进一步加大，这种不平衡离心力作用在转子轴承上引起振动和噪声，加速轴承的磨损，严重影响电机的性能和寿命当转子外径D与长度L满足D／L5时，若含有不平衡量时，只要在其相反方向添加平衡块即可达到平衡，故不需要进行动平衡校核；当LD时，只要工作转速大于1000