高速永磁無刷電機的轉子共振
摘要：
對于高速電機，在設計階段預測轉子的固有頻率特別重要，可以減小失敗的可能性。有限元分析和試驗檢測被用來確定轉子的固有頻率和模式，這種轉子周在高速永磁無刷電機上，以及主要設計參數的影響，比如有效長度、軸直徑及延伸長度、軸承和材料特性。
關鍵詞：無刷電機；高速；機械共振：永磁設備：振動
1引言
速度大約在100Kr/min的永磁無刷電機作為一個關鍵技術出現了，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，離心式分離機，真空泵這些設備中，不同文章中的這一變化已被研究過。在[1]中，Takahashi et al構造和檢測了一個Skw的電機，運行在150000r/min轉速下，使用無傳感器交換的策略。[2]中用到了一個不同的無傳感器策略，電機和控制策略結合可以很方便地運行于60000r/min轉速上。[3]中研究了運行在20 000r/min轉速上的兩極無刷南流電機中轉子對定子電樞的影響。然而所有這些文章中，轉子振動的影響或者被忽略或者沒有考慮。[4]中考慮了轉子的振動，但只是當轉子旋轉速度大到影響使用的空氣軸承時。相似地，高速永磁無刷發電機用于像汔輪發電機(CHP)和電子／混合車輛轉換系統這樣的設備中[5]。然而，出于它們基波頻率較高，在電磁和機械設計中都需要仔細考慮。
精確估算正常頻率和轉子模式在設計階段非常重要，因為不合適的轉子設計會導致較火的噪聲，較多的軸承損耗，甚至災難性的失敗。順便舉個例子，如圖l所示，我們早期的一個樣機，大約在100 000rimin時的轉子振動引起轉軸彎曲，因而損壞了端蓋和軸承。
然而，除了一些值得關注的教材[6]，[7]以及有關轉子振動的的文章，例如疊片堆[8]-[10]和不對稱軸的反映[11]，近年來關于這方面系統的工作做的很少。
本文描述了額定轉速及功率各為120 000r/min，1.25kw的無刷直流永磁電機的轉子的有限元分析(FEA)，研究了設計參數的影響，比如在正常頻率下的軸長軸徑。用到了ANSYSFE工具包的有限元分析預測，在沖擊力響應試驗的檢測中極其有效，使用一個沖擊力錘的模型，加速器以及動態信號分析器，HP35660A。然而定子的增加會影響振動模型，因為轉子的永磁體和定子有互感，為了研究方便這被忽略了。不過，這不會影響總的觀測。本文主要集中在正常運行下的振動模型。主要包括電機運行在某一速度(對應頻率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振動模型。本文考慮了軸承以及不同設計參數對電機性畿的影響。
2轉子設計的影響
圖2所示的轉子，包括一個不銹鋼軸，在一端有一個完整的端蓋，另一端當疊片裝到軸上在適當的位置打上銷釘。永磁體用強力膠粘在疊片上，用碳纖環氧覆蓋填充。轉子軸參照AISI303設計，是不導磁的不銹鋼。各種材料的性質見附錄。
開始參照AISI303，考慮一個圓形的鋼軸。直徑7.9mm，軸長l06mm。軸的固有頻率可從[6]的分析中以下式計算
這里的E、I、μ1和l分別是Young系數、慣量、線密度及軸長，an是用Rayleigh方法計算時的一個常量，它依賴于邊界問題。從[6]可知，an的前三個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、分析計算及測量的固有頻率，而圖3示出了振動模式的形狀。可以看到，預測值和測量值很接近。
如圖4所示，考慮一個有完整端蓋的轉子軸。可以看到，在軸的每-端都加工了一個扁平面為了固定疊片，因為鍵槽可能導致不必要的失衡。雖然這不包括FE模式，它可能在振動模式時出現雙峰，在檢測振動頻譜上可以看到[II]。
從圖5的頻譜和表2可以看到，有限元預測的固有頻率和檢測的值很接近。需要指出的是，旋轉振 |
