[发明专利]一种基于多维可视化的永磁电机转子强度优化设计方法

说明书

本发明涉及一种基于多维可视化的永磁电机转子强度优化设计方法，包括如下步骤：运用解析法求解非导磁金属护套等效Mises应力和永磁体压强方程；构建非导磁金属护套等效Mises应力和永磁体压强的四维可行域并取交集，得到四维可行域交集；对四维可行域交集进行降维处理，得到三维静态可行域和三维高速可行域后取交集，得到三维可行域交集，求解出护套厚度及过盈量。本发明运用多维可视化算法研究护套厚度、过盈量以及转子转速对转子强度的影响，对各多维可视化图形进行交集运算，实现得到了静态和高速运行状态下均满足强度要求的护套厚度及过盈量的可行域，便于实现鲁棒优化，具有直观、方便的特点。

技术领域

本申请涉及永磁电机转子强度优化设计技术领域，具体涉及一种基于多维可视化的永磁电机转子强度优化设计方法。

背景技术

高速永磁电机因其体积小、结构简单、功率密度高、效率高等优点，在高速机床、鼓风机、透平式膨胀机等领域具有广泛的应用前景^[1-4]。在高速永磁电机中，转子的永磁体可制成整体结构或分块结构。在整体结构中，永磁体一般制成实心圆柱体或空心圆筒，而在分块结构中，永磁体一般制成瓦状片，粘贴于转子表面，分块永磁材料的结构提高了永磁材料的利用率，但制造工艺复杂。与分块结构相比，整体式永磁体的利用率较低，但永磁结构具有更高的机械强度。在高速永磁电机中，可采用几种永磁材料作磁体，如铝镍磁体、铁氧体磁体和稀土磁体，其中，稀土磁体因其优越的性能而得到了广泛的应用^[5]。然而，稀土永磁体抗拉强度太小，不能承受高转速产生的巨大拉应力。所以，通常会在永磁体表层套上高强度的保护套。非导磁金属护套具有较高的抗拉强度,有利于建立转子应力解析模型。在工程实际中，永磁电机的离心力可以通过护套和永磁体之间的过盈配合产生的预压力给予补偿^[6]。为了确保高速运行下永磁体内的应力满足要求，需要为永磁转子设计合理的护套结构，求解出护套及护套与永磁体之间过盈量的最优值^[7]。

国内外研究人员对永磁转子强度解析解的研究已取得了一些成果^[8-14]。Du^[8]等人研究了考虑装配间隙和温度梯度影响的永磁电机转子应力分布。Binder^[9]等人提出了碳纤维护套圆柱型永磁转子的应力和接触压强的强度计算方法,并讨论了其在高速机械设计中的局限性。针对不同转子边界约束下的转子强度问题，高起兴^[10]等人建立了一种满足多边界类型的转子应力解析模型。王继强^[11]等人研究了简单非导磁金属护套高速永磁电机强度解析公式，并利用数值分析有限元法加以验证。针对含极间填充块的高速永磁电机转子强度计算问题，陈亮亮^[12]等人从极坐标应力函数法的角度推导了转子强度解析公式。Jang^[13]等人研究了考虑永磁电机的铁芯损耗情况下的高速永磁电机转子强度分析。张超^[14]等人利用平面应变分析方法研究了非导磁金属护套高速永磁电机的强度解析解。

目前，针对永磁电机转子强度的研究主要是在已知转子结构及参数的情况下对转子的应力和应变进行分析，而永磁电机转子强度的设计则需要根据工程实际中对永磁转子强度的要求，设计出合理的转子参数，如护套厚度、过盈量大小等。传统的永磁电机转子强度设计多采用试凑法，先根据经验预估护套厚度及过盈量，然后将预设的转子结构参数代入应力和应变的计算公式中，检验是否满足强度要求，若不满足要求，则重新调整预估参数，如此循环往复，直至满足要求。传统的转子强度设计方法效率较低，且难以得到护套结构的最优值，因此，需要在已有的转子强度分析解析模型的基础上，进一步考虑转子强度的优化设计问题，得到过盈量、护套厚度等参数的取值范围。

参考文献