高速永磁电机碳纤维护套转子结构参数自动寻优.pdf
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1、第 卷 年第 期 月.高速永磁电机碳纤维护套转子结构参数自动寻优周 向 肖剑雄 黄鹏程 刘龙辉(中车株洲电机有限公司 湖南 株洲)摘 要:基于 编写了生死单元模拟碳纤维护套转子逐层缠绕过程的命令流 并同步施加了缠绕预应力显著提升了仿真分析设置效率 在此基础上完成了某高速永磁电机碳纤维护套转子结构的自动寻优设计 本方法对张力缠绕型碳纤维护套转子结构设计具有一定的指导意义关键词:自动寻优 高速永磁电机 碳纤维增强复合材料 张力缠绕中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:基金项目:湖南省科技创新领军人才计划()湖南省自然科学基金()作者简介:周 向()男 硕士 高级工程师 研究方
2、向为电机机械结构设计及新材料应用技术肖剑雄()男 硕士 工程师 研究方向为电机机械结构设计及新材料应用技术黄鹏程()男 硕士 教授级高级工程师 研究方向为电机设计和开发刘龙辉()男 硕士 工程师 研究方向为高速永磁电机设计、转子动力学分析等 引 言高速永磁电机具有功率密度高、体积小、可靠性高等一系列优点 被广泛应用于航空航天、高性能伺服电机等领域 而目前永磁电机所使用的永磁体大多由稀土永磁材料烧结而成 为保证其在高速转动离心力下不发生脱离和拉伸破坏 需要对永磁体加以保护 以保证电机安全稳定运行 根据保护方式的不同 又可以分为内嵌式与表贴式两种结构类型 与国内目前较为常见的内嵌式转子相比表贴式转
3、子表面允许的最大线速度更高 是高速电机未来发展的必然方向 目前 表贴式高速永磁电机转子保护套主要分为非导磁合金护套以及轻质高强的碳纤维等复合材料护套两种 相较于金属护套 碳纤维复合材料护套具有高强度、低密度、低涡流损耗等特点 应用前景将十分广阔碳纤维护套转子预紧成型工艺主要有张力缠绕成型和过盈冷套两种 两种方法均是在护套上形成一定的预应力 从而对永磁体产生一定的预紧压力防止运行过程中永磁体在离心力作用下脱离和拉伸破坏 张力缠绕成型可以逐层施加缠绕张力 形成的预应力可以比过盈冷套更大 因此更适合在高线速度的情况下使用 但是 张力缠绕成型转子应力的解析计算和仿真分析较过盈冷套转子难度更大项目团队曾
4、通过等效温度场法及逐层生死单元设置实现了张力缠绕过程模拟 其仿真结果与解析计算结果吻合良好 但其过程非常繁琐 尤其是当缠绕层数较多的情况下 建模、等效温度场施加、生死单元逐层设置等重复工作量大且易于出错 在此背景下 基于 编写了生死单元模拟逐层缠绕过程并施加预应力的命令流 开发出一套更为高效便捷的护套张力缠绕结构仿真分析方法 本方 期周 向等:高速永磁电机碳纤维护套转子结构参数自动寻优法替代等效温度场法创新性地实现缠绕预应力直接加载 并将单元生死命令编入循环语句中实现了碳纤维护套逐层缠绕过程的模拟 载荷和边界条件设置效率得到大大提升 并在此基础上实现了碳纤维护套转子结构参数的自动寻优 理论分析
5、文献建立了张力缠绕平面应变解析模型 其转子横截面如图 所示 为实心芯轴的半径 为永磁体的外半径 为第 层纤维单位带宽上缠绕张力 为第 层纤维与第 层纤维间的压应力图 缠绕型护套转子横截面根据平衡方程和边界条件对缠绕层应力进行了解析 并得到了缠绕完成后纤维层的剩余应力 带有下标“”和“”的变量分别表示纤维缠绕层沿径向和切向的物理量 带有下标“”和“”的变量分别为永磁体与芯轴的相关变量 为弹性模量 为泊松比 第 层纤维的缠绕半径为 在单位带宽上缠绕张力 的作用下 最外缠绕层对里层结构产生径向的压紧力 从而产生径向形变 使内层纤维发生应力松弛 设定第 层纤维对第 层纤维环向应力的影响为 则缠绕完成后
6、第 层纤维环向剩余应力可由第 层纤维缠绕张力 与第 层纤维到第 层纤维张力弹性叠加效应得到:()式中 为缠绕层单层厚度 为第 层纤维缠绕张力 为第 层纤维的缠绕半径 /()()()()()/()()()()()()利用式()可以得到给定的张力缠绕条件下各缠绕层发生应力松弛现象后的剩余应力分布 并作为碳纤维护套的预应力场进行转子在离心载荷、电磁转矩和热载荷等实际运行工况条件下的分析 但是缠绕完成后运行工况解析计算和优化分析难度非常大 更适合使用有限元法进行分析 参数化模型 转子参数本文所用高速永磁电机额定转速为 /额定转速的运行温度范围按照 考虑超速转速为/按照设计目标转子表面线速度不低于/将转
7、子外径定为 碳纤维护套厚度为 永磁体在圆周方向分成 块 因此建立/转子 平面应变仿真分析模型 示意图如图 所示 护套按照分层建模以便后续模拟逐层恒张力缠绕过程 转子部件的材料参数如表 所示图 转子平面应变分析模型(/)表 转子部件材料属性参数永磁体转轴护套环向拉伸模量/径向拉伸模量/轴向拉伸模量/剪切模量(/)/泊松比/线膨胀系数/()/密度/()缠绕过程及运行工况模拟利用基于 的命令流 配合使用 循环命令、/生死单元命令及 初始应力命令模拟了碳纤维护套逐层缠绕过程 并同步对每层碳纤维施加了环向预应力 卷本例中模拟了 环向预应力的恒张力缠绕过程 并分 个计算工况进行了仿真分析 如表所示以永磁体
8、的厚度 作为输入参数 并初设 以永磁体的截面积、工况(/)的永磁体与转轴配合面平均压力、工况(/)热态超速下护套的最大环向应力 作为输出参数进行计算表 仿真分析工况计算工况核心关注项点计算目的工况 载荷步 模拟恒张力缠绕护套环向预应力场获取预应力场载荷步 /永磁体与转轴配合面平均压力 确保冷起动时永磁体不与转轴脱离工况 载荷步 模拟恒张力缠绕护套环向预应力场获取预应力场载荷步 /热态超速下护套最大环向应力 确保热态超速时护套应力不超限值 载荷步 获取的护套预应力场如图 所示 各层的平均应力如图 所示 由图 和图 可知 外层的缠绕层对内层的缠绕层产生了影响 使得内层出现了明显的松弛 缠绕完成后最
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