高速永磁無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子共振
摘要：
對(duì)于高速電機(jī)，在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子的固有頻率特別重要，可以減小失敗的可能性。有限元分析和試驗(yàn)檢測(cè)被用來(lái)確定轉(zhuǎn)子的固有頻率和模式，這種轉(zhuǎn)子周在高速永磁無(wú)刷電機(jī)上，以及主要設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，比如有效長(zhǎng)度、軸直徑及延伸長(zhǎng)度、軸承和材料特性。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷電機(jī)；高速；機(jī)械共振：永磁設(shè)備：振動(dòng)
1引言
速度大約在100Kr/min的永磁無(wú)刷電機(jī)作為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)出現(xiàn)了，歸于它們的爵效、離功率密度、小的重量[1]-[5]。它們用于像壓縮機(jī)，離心式分離機(jī)，真空泵這些設(shè)備中，不同文章中的這一變化已被研究過(guò)。在[1]中，Takahashi et al構(gòu)造和檢測(cè)了一個(gè)Skw的電機(jī)，運(yùn)行在150000r/min轉(zhuǎn)速下，使用無(wú)傳感器交換的策略。[2]中用到了一個(gè)不同的無(wú)傳感器策略，電機(jī)和控制策略結(jié)合可以很方便地運(yùn)行于60000r/min轉(zhuǎn)速上。[3]中研究了運(yùn)行在20 000r/min轉(zhuǎn)速上的兩極無(wú)刷南流電機(jī)中轉(zhuǎn)子對(duì)定子電樞的影響。然而所有這些文章中，轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響或者被忽略或者沒有考慮。[4]中考慮了轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，但只是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度大到影響使用的空氣軸承時(shí)。相似地，高速永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)用于像汔輪發(fā)電機(jī)(CHP)和電子／混合車輛轉(zhuǎn)換系統(tǒng)這樣的設(shè)備中[5]。然而，出于它們基波頻率較高，在電磁和機(jī)械設(shè)計(jì)中都需要仔細(xì)考慮。
精確估算正常頻率和轉(zhuǎn)子模式在設(shè)計(jì)階段非常重要，因?yàn)椴缓线m的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致較火的噪聲，較多的軸承損耗，甚至災(zāi)難性的失敗。順便舉個(gè)例子，如圖l所示，我們?cè)缙诘囊粋�(gè)樣機(jī)，大約在100 000rimin時(shí)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)引起轉(zhuǎn)軸彎曲，因而損壞了端蓋和軸承。
然而，除了一些值得關(guān)注的教材[6]，[7]以及有關(guān)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的的文章，例如疊片堆[8]-[10]和不對(duì)稱軸的反映[11]，近年來(lái)關(guān)于這方面系統(tǒng)的工作做的很少。
本文描述了額定轉(zhuǎn)速及功率各為120 000r/min，1.25kw的無(wú)刷直流永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子的有限元分析(FEA)，研究了設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，比如在正常頻率下的軸長(zhǎng)軸徑。用到了ANSYSFE工具包的有限元分析預(yù)測(cè)，在沖擊力響應(yīng)試驗(yàn)的檢測(cè)中極其有效，使用一個(gè)沖擊力錘的模型，加速器以及動(dòng)態(tài)信號(hào)分析器，HP35660A。然而定子的增加會(huì)影響振動(dòng)模型，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的永磁體和定子有互感，為了研究方便這被忽略了。不過(guò)，這不會(huì)影響總的觀測(cè)。本文主要集中在正常運(yùn)行下的振動(dòng)模型。主要包括電機(jī)運(yùn)行在某一速度(對(duì)應(yīng)頻率2kHz)以下的所有模式，但是在2kHz以上它仍然適合，雖然本文沒有考慮，但換向策略可能激勵(lì)振動(dòng)模型。本文考慮了軸承以及不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電機(jī)性畿的影響。
2轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的影響
圖2所示的轉(zhuǎn)子，包括一個(gè)不銹鋼軸，在一端有一個(gè)完整的端蓋，另一端當(dāng)疊片裝到軸上在適當(dāng)?shù)奈恢么蛏箱N釘。永磁體用強(qiáng)力膠粘在疊片上，用碳纖環(huán)氧覆蓋填充。轉(zhuǎn)子軸參照AISI303設(shè)計(jì)，是不導(dǎo)磁的不銹鋼。各種材料的性質(zhì)見附錄。
開始參照AISI303，考慮一個(gè)圓形的鋼軸。直徑7.9mm，軸長(zhǎng)l06mm。軸的固有頻率可從[6]的分析中以下式計(jì)算
這里的E、I、μ1和l分別是Young系數(shù)、慣量、線密度及軸長(zhǎng)，an是用Rayleigh方法計(jì)算時(shí)的一個(gè)常量，它依賴于邊界問(wèn)題。從[6]可知，an的前三個(gè)自由彎曲棋式的值是a1=22，a2=61.7及a3=121。表1比較了有限元、分析計(jì)算及測(cè)量的固有頻率，而圖3示出了振動(dòng)模式的形狀。可以看到，預(yù)測(cè)值和測(cè)量值很接近。
如圖4所示，考慮一個(gè)有完整端蓋的轉(zhuǎn)子軸�？梢钥吹�，在軸的每-端都加工了一個(gè)扁平面為了固定疊片，因?yàn)殒I槽可能導(dǎo)致不必要的失衡。雖然這不包括FE模式，它可能在振動(dòng)模式時(shí)出現(xiàn)雙峰，在檢測(cè)振動(dòng)頻譜上可以看到[II]。
從圖5的頻譜和表2可以看到，有限元預(yù)測(cè)的固有頻率和檢測(cè)的值很接近。需要指出的是，旋轉(zhuǎn)振 |
