高速永磁无刷电机的转子共振
摘要：
对于高速电机，在设计阶段预测转子的固有频率特别重要，可以减小失败的可能性。有限元分析和试验检测被用来确定转子的固有频率和模式，这种转子周在高速永磁无刷电机上，以及主要设计参数的影响，比如有效长度、轴直径及延伸长度、轴承和材料特性。
关键词：无刷电机；高速；机械共振：永磁设备：振动
1引言
速度大约在100Kr/min的永磁无刷电机作为一个关键技术出现了，归于它们的爵效、离功率密度、小的重量[1]-[5]。它们用于像压缩机，离心式分离机，真空泵这些设备中，不同文章中的这一变化已被研究过。在[1]中，Takahashi et al构造和检测了一个Skw的电机，运行在150000r/min转速下，使用无传感器交换的策略。[2]中用到了一个不同的无传感器策略，电机和控制策略结合可以很方便地运行于60000r/min转速上。[3]中研究了运行在20 000r/min转速上的两极无刷南流电机中转子对定子电枢的影响。然而所有这些文章中，转子振动的影响或者被忽略或者没有考虑。[4]中考虑了转子的振动，但只是当转子旋转速度大到影响使用的空气轴承时。相似地，高速永磁无刷发电机用于像汔轮发电机(CHP)和电子／混合车辆转换系统这样的设备中[5]。然而，出于它们基波频率较高，在电磁和机械设计中都需要仔细考虑。
精确估算正常频率和转子模式在设计阶段非常重要，因为不合适的转子设计会导致较火的噪声，较多的轴承损耗，甚至灾难性的失败。顺便举个例子，如图l所示，我们早期的一个样机，大约在100 000rimin时的转子振动引起转轴弯曲，因而损坏了端盖和轴承。
然而，除了一些值得关注的教材[6]，[7]以及有关转子振动的的文章，例如叠片堆[8]-[10]和不对称轴的反映[11]，近年来关于这方面系统的工作做的很少。
本文描述了额定转速及功率各为120 000r/min，1.25kw的无刷直流永磁电机的转子的有限元分析(FEA)，研究了设计参数的影响，比如在正常频率下的轴长轴径。用到了ANSYSFE工具包的有限元分析预测，在冲击力响应试验的检测中极其有效，使用一个冲击力锤的模型，加速器以及动态信号分析器，HP35660A。然而定子的增加会影响振动模型，因为转子的永磁体和定子有互感，为了研究方便这被忽略了。不过，这不会影响总的观测。本文主要集中在正常运行下的振动模型。主要包括电机运行在某一速度(对应频率2kHz)以下的所有模式，但是在2kHz以上它仍然适合，虽然本文没有考虑，但换向策略可能激励振动模型。本文考虑了轴承以及不同设计参数对电机性畿的影响。
2转子设计的影响
图2所示的转子，包括一个不锈钢轴，在一端有一个完整的端盖，另一端当叠片装到轴上在适当的位置打上销钉。永磁体用强力胶粘在叠片上，用碳纤环氧覆盖填充。转子轴参照AISI303设计，是不导磁的不锈钢。各种材料的性质见附录。
开始参照AISI303，考虑一个圆形的钢轴。直径7.9mm，轴长l06mm。轴的固有频率可从[6]的分析中以下式计算
这里的E、I、μ1和l分别是Young系数、惯量、线密度及轴长，an是用Rayleigh方法计算时的一个常量，它依赖于边界问题。从[6]可知，an的前三个自由弯曲棋式的值是a1=22，a2=61.7及a3=121。表1比较了有限元、分析计算及测量的固有频率，而图3示出了振动模式的形状。可以看到，预测值和测量值很接近。
如图4所示，考虑一个有完整端盖的转子轴。可以看到，在轴的每-端都加工了一个扁平面为了固定叠片，因为键槽可能导致不必要的失衡。虽然这不包括FE模式，它可能在振动模式时出现双峰，在检测振动频谱上可以看到[II]。
从图5的频谱和表2可以看到，有限元预测的固有频率和检测的值很接近。需要指出的是，旋转振 |
