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    碳纖維應用于轉子保護套的強度分析

    ?? 日期:2022-04-26???? 來源:騰訊網????瀏覽:220????
    核心提示:高速永磁電機具有功率密度高、體
    高速永磁電機具有功率密度高、體積小、可靠性高等一系列優點,被廣泛應用于航空航天、高性能伺服電機等領域]。其中,表貼式轉子結構的高速永磁電機轉子半徑小、能量密度大,是未來發展的重要方向。為了確保轉子永磁體在電機運行過程中不發生破壞,通常會在永磁體外表面設置保護套。目前,轉子護套主要分為非導磁合金護套以及碳纖維等復合材料護套。相較于合金護套,碳纖維護套厚度小、輕質高強、渦流損耗低,具備十分顯著的技術優勢。
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    纖維纏繞成型技術是將纖維絲束按一定的線型規律纏繞到芯模上并固化成型制造復合材料構件的技術,被廣泛應用于圓柱形殼體、密閉容器等。通過在電機轉子護套纏繞成型過程中對碳纖維絲束施加一定的張力,可以使護套產生預緊壓力,將永磁體有效地固定在轉軸上。通過控制纖維張力大小,即可對護套施加所需要的預應力場,取代傳統機械過盈方式,實現高預應力、高強度、小變形、輕質結構的制造。
     
    轉子永磁體利用膠黏劑粘接在轉軸表面,永磁體表面為碳纖維復合材料轉子護套,護套采用恒張力方式進行纏繞成型。轉子額定轉速為12000rpm,最高轉速為14400rpm,工作環境溫度為-20℃~200℃。通過對轉子極限工況進行分析,張力纏繞成型的轉子護套需要滿足以下兩個要求:①轉子運行過程中永磁體與轉軸始終保持壓緊狀態;②護套與永磁體所承受應力水平處于強度安全范圍內。纏繞力學解析模型計算結果表明,若要確保轉子以最高轉速運轉時永磁體與轉軸不發生脫離,需要在纏繞過程中對纖維層施加至少約670MPa的環向預應力。
     
    結合理論計算結果,并考慮工藝材料選型以及電機運行工況要求,本文設定護套纖維層纏繞環向預應力為750MPa。對于在轉子運行過程中碳纖維護套能否滿足性能要求,通常需要考慮兩種極限工況條件,即冷態超速工況(20℃常溫環境+14400rpm超速旋轉)以及熱態超速工況(200℃高溫環境+14400rpm超速旋轉)。
     
    通過分析冷態超速工況條件下永磁體與轉軸配合面的徑向壓應力分布云圖。結果表明,當轉子在常溫環境中超速運行時,永磁體與轉軸之間仍然存在接觸壓力,平均壓應力大小約為1.65MPa,永磁體與轉軸仍然保持緊密結合的狀態,未發生脫離。分析護套及永磁體徑向變形云圖,此時轉子最大變形量小于0.01mm,不會對電機運行產生影響。上述結果說明本文中設定大小為750MPa的纖維纏繞環向應力使護套提供了足夠的預緊壓力,從而確保了轉子在極限工況條件下的安全穩定運行。
     
    分析冷態超速工況條件下永磁體應力分布云圖,結果表明,永磁體沿徑向保持受壓狀態,而沿環向盡管部分區域受到一定大小拉應力,但是應力水平明顯低于其抗拉強度極限,永磁體無破壞風險。
     
    通過分析護套環向應力分布云圖,在熱態超速工況條件下,轉子本體的應力達到了最高水平,為最嚴苛的工況條件。此時,護套最高環向應力為1066.3MPa,距離其所用材料1400MPa的強度極限值仍然存在足夠的安全裕度,可以滿足使用要求。 
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