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汇报提纲概要1相关的机械问题探讨2研究热门与展望3概要1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概要

本次报告的主要内容对电机的结构进行简介对电机设计中一些典型的机械问题进行介绍研究热门与研究前景电机的结构介绍2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,HiroyaSugimoto

ANovelParallelMotorWindingStructureforBearinglessMotors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,JiaLuDesignandFiniteElementAnalysisofPermanentMagnetSynchronousMotorwithNovelRotorType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.

DesignissuesofanIPMmotorforEPS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……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，调速范围宽广相关的机械问题探讨3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电机的强度校核

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

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：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：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！

电机的振动问题

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／L>5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L>D时，只要工作转速大于1000r／min，都要进行动平衡校核。转子做动平衡校核的条件转子的不平衡量与产生原因图外转子永磁同步电机的结构示意图王君，沈崇达两转子、三轴承支撑结构电机动平衡及超速初探转子结构不对称原材料和毛坯缺陷装配误差运转过程中产生的不平衡转子产生不平衡量的原因转子动平衡的校正方法图三圆平衡法示意图王君，沈崇达两转子、三轴承支撑结构电机动平衡及超速初探郭晓伟，李要平基于质心平移法动平衡的校正图质心平移法转子总成图在被平衡的平面上取相隔120度的三点1、2、3将转子在平衡转速下稳定运转测得原始振动A0将一试重P克加在1号处(0度)在平衡转速下测得合成矢量A1将一试重P克加在2号处(120度)在平衡转速下测得合成矢量A2将一试重P克加在3号处(240度)在平衡转速下测得合成矢量A3将测得值和三合成值按比例作图，求不平衡量与相位计算不平衡量Qx=A1×P/OM不平衡量相位OM与作图的交点即为不平衡量的确定通过质心法将整个转子的质心进行确定；利用理论力学的平移原理，将质心的不平衡量平移到可以简单处理增重的转子的两个端面；利用增重法对转子进行动平衡调节目录

电机的磁桥设计

隔磁磁桥介绍图一种典型的磁桥结构示意图zhonglinngLiGuoliZhouTingCoggingTorqueImprovementforInteriorPermanentMagnetGeneratorbyChangingFlux-BarrierShapeRyosukeAkaki,YasuhitoTakahashi

EffectofMagneticPropertyinBridgeAreaofIPMMotorsonTorqueCharacteristics把转子冲片连成一个具有足够机械强度的整体通过磁桥部位漏磁通的饱和限制永磁体的漏磁.隔磁磁桥的作用图一种典型的磁桥结构示意图隔磁磁桥的设计吴延忠郭振宏稀土永磁同步电动机隔磁磁桥的设计研究启德新

张宝刚基于ANSYS的永磁同步电动机隔磁桥结构改进设计隔磁磁桥设计的要求较小尺寸的隔磁桥使其易于达到深度饱和以减小漏磁，提高电机电磁性能；较大尺寸隔磁桥厚度使转子高速运行时不至发生严重的塑性变形，提高其机械性能。隔磁磁桥的受力分析离心力电磁转矩过盈预应力隔磁磁桥对空载漏磁系数的影响图隔磁桥与空载漏磁系数关系图于淼永磁同步发电机空载漏磁系数和电枢反应系数分析隔磁磁桥起到一个旁路磁桥的作用隔磁磁桥宽度不宜过大，过大会降低漏磁通的磁阻，增加漏磁通，导致空载漏磁系数增加不能过小，太小很难保证机械强度，而且加工困难隔磁磁桥对空载漏磁系数的影响空载漏磁系数反映永磁体的利用率以及抗去磁能力一种隔磁磁桥的优化设计图电机转子结构的l／8模型胡光伟，严欣平内置式永磁同步电机隔磁桥影响研究随着隔磁桥厚度增加，磁钢漏磁增大，电机空载反电势减小，额定负载时定子电流趋于增大，电磁性能变差电磁性能而言，转子结构II的内置式永磁电机最好，结构Ⅲ次之，结构I最差一种隔磁磁桥的优化设计图结构Ⅰ最大应力变化曲线各转子结构的最大应力均与隔磁桥厚度成反比，与转速的平方成正比就结构强度而言，结构III最好，结构Ⅰ次之，结构II最差带辅助隔磁桥的“V”形转子相比于“一”形和“V”形转子结构强度更好带辅助隔磁桥的“V”形转子的主隔磁桥对电机电磁性能影响更大、而辅助隔磁桥对转子结构强度影响更大。图结构II最大应力变化曲线图结构Ⅲ最大应力变化曲线组l图结构Ⅲ最大应力变化曲线组2胡光伟，严欣平内置式永磁同步电机隔磁桥影响研究隔磁磁桥对齿槽转矩的影响图不同隔磁磁桥形状改变量x时的齿槽转矩曲线图安忠良李国丽内置式永磁发电机隔磁磁桥形状对齿槽转矩的影响隔磁磁桥形状的改变会引起永磁体的气隙磁密分布变化，使得的含量发生变化，进而影响齿槽转矩的大小齿槽转矩随隔磁磁桥形状改变量x的增加近似线性的减小，当改变量x达到一定时，随其进一步增加齿槽转矩反而呈增大趋势隔磁磁桥对齿槽转矩的影响齿槽转矩导致转矩波动，引起振动和噪声，影响系统的控制精度：相对气隙磁导平方的傅里叶分解系数；：为永磁体产生的气隙磁密平方的傅里叶分解系数

电机中的电磁力电磁力的介绍张文敏，郝清考虑变频器供电谐波电流作用下的永磁电机电磁力计算与分析电磁力是永磁电机振动噪声的主要激励源，它是由电机定转子间的磁场相互作用产生的径向电磁力作用在定子铁心上产生的振动变形，是电磁振动噪声的主要来源切向电磁力是与电磁转矩相对应的作用力矩，它使齿对其根部弯曲，并产生局部振动变形，是电磁振动噪声的次要来源电机电磁激振力的大小定转子绕组磁势气隙磁导电磁力的计算方法刘景辉，黄开胜，陈治宇永磁同步电动机径向电磁力的分析DAIWei,YUHai-tao,HUMin-qiangElectromagneticForceComputationofLinearSynchronousMotorWithVirtualWorkMethod麦克斯韦张量法虚功法有限元法公式推导和使用比较简单存在积分路径问题受剖分单元类型单元数量的影响较大虚功法公式推导相对复杂不存在积分路径问题受剖分单元类型单元数量的影响不大鼠笼感应电机转子局部电磁力的计算图转子槽表面的电磁力的分布密度图XIEYing,WANGYunyangLocalElectromagneticForceCalculationontheRotorofSquirrel-cageInductionMotorsWithBroken…….MX方程：LR方程：在鼠笼式转子结构中，导条的顶端是最脆弱的地方；沿着电机旋转方向，靠近断条的那根导条最容易断掉变频器供电谐波电流作用下电磁力计算图1正弦供电时的电磁力随时间变化曲线王君，沈崇达两转子、三轴承支撑结构电机动平衡及超速初探图2

变频供电时的电磁力随时间变化曲线图3

正弦供电时的电磁力频谱图图4

变频供电时的电磁力频谱图图2电磁力波形中明显含有许多毛刺，该现象主要是由于受变频器脉冲调制的影响，谐波含量较多图4明显含有开关频率附近的边带频率特征的特征谐波，说明变频器脉宽调制会导致电机定转子之间的气隙磁场发生畸变，进而影响电机的电磁力分布。双一次侧结构对电磁力的影响图双一次侧PMLSM结构示意图Sung-AnKim,Yu-WuZhu,Sang-GeonLee

ElectromagneticNormalForceCharacteristicsofaPermanentMagnetLinear……双一次侧结构能减小轴向电磁力的大小图传统的PMLSM与对称的双一次侧PMLSM示意图图PMSLM两对称一次侧的轴向力曲线图影响电机径向电磁力的因素图不同极槽配合和极弧系数下的气息磁场正弦畸变率对于降低径向电磁力，整数槽电机优于分数槽电机；随着极弧系数、磁钢偏心距增大，正弦畸变率先减小后增大图不同极槽配合和不同磁钢偏心距下