張 杰，晏才松，曾 純

(湖南中車尚驅電氣有限公司，株洲 412000)

0 引 言

隨著新領域市場需求的出現(xiàn)和國產化替代需要，比如氫燃料電池應用領域、天然氣輸送領域、化工隔爆壓縮流體市場、生物醫(yī)藥制藥領域、造紙機械領域、污水處理領域，都需要高速直驅系統(tǒng)替代原有的電機加齒輪箱模式[1-6]。高速直驅系統(tǒng)的核心關鍵部件是高速永磁電機，隨著高速永磁電機朝著大電機高功率化和小電機超高轉速化發(fā)展，轉子的表面線速度也相應逐步提高(≥200 m/s)，常見的內嵌式轉子結構和合金套筒表貼式轉子結構因材料本身的比強度原因，在更高轉子表面線速度的應用場景中受到限制[7-8]。比強度高的碳纖維復合材料可以應用在表面線速度更高的轉子上，但是碳纖維復合材料屬于熱的不良導體，在滿足使用要求時需盡可能降低護套厚度[9]。

碳纖維護套表貼式轉子裝配方式一般是通過液氮冷卻轉子進行冷套裝配工藝，因此碳纖維護套與電機轉子裝配時過盈量有限，僅利用了碳纖維護套很小的強度性能。通過轉軸結構設計，冷套后再脹大空心轉軸，進一步提高碳纖維護套與轉軸的過盈量，可以把碳纖維護套的強度使用率進一步提高。同時考慮電機實際運行時的轉子給碳纖維護套的熱應力，碳纖維護套的理論強度利用率會超過80%。但是在碳纖維護套高強度使用率的情況下，碳纖維護套實際應用情況未見有文獻報道，本論文就碳纖維護套高強度利用率進行較系統(tǒng)的應用探究。

1 有限元建模分析

在實際轉子結構中，為了確保碳纖維護套完全覆蓋磁鋼部分，碳纖維護套會長于磁鋼長度。模擬實際轉子結構，我們設計了縮小版的與軸肩平齊結構的超速試驗轉子，如圖1示。根據(jù)轉子結構對稱性，在有限元軟件ANSYS經典界面中建立30°模型進行分析，如圖2所示。材料屬性設置如表1所示。

圖1 護套與軸肩平齊結構轉子圖

圖2 護套與軸肩平齊結構有限元分析30°模型

表1 材料屬性設置數(shù)據(jù)

轉速梯度設置為25 000 r/min、30 000 r/min、35 000 r/min。仿真結果如表2所示，不同轉速下的應力云圖分布基本一致，只是數(shù)值上的差異。

表2 不同轉速下碳纖維護套的應力值

從圖3 碳纖維護套環(huán)向應力云圖可以看出，在35 000 r/min情況下，整個護套都呈現(xiàn)拉應力，以抵消磁鋼產生的高速離心力。碳纖維護套環(huán)向最大應力為1 650 MPa，低于其強度2 800 MPa，護套沒有被破壞的風險。碳纖維護套軸向強度主要由樹脂基體提供，其軸向強度為33.5 MPa，但是圖4、圖5顯示在軸肩與磁鋼交界處，存在明顯的應力集中現(xiàn)象，即使在相對低轉速情況下，也接近其強度的3倍，此工況下碳纖維護套存在被破壞的可能。分析發(fā)現(xiàn)，磁鋼與轉軸交界處出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象是因為護套與轉軸是過盈配合，在轉子旋轉過程中，磁鋼因自身離心力的作用會逐漸抵消掉護套對其的預緊力，隨著轉速的進一步提高，磁鋼開始對護套產生壓應力，而護套與軸肩接觸部分一直保持過盈壓緊狀態(tài)，碳纖維護套呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，因此在磁鋼與轉軸交界處產生很大的剪切應力。

圖3 35 000 r/min碳纖維護套環(huán)向應力云圖

圖4 35 000 r/min碳纖維護套軸向內側應力云圖

圖5 35 000 r/min碳纖維護套軸向外側應力云圖

2 護套與軸肩平齊結構超速試驗

有限元仿真對產品設計有很大的指導作用，但是，材料屬性的設定、建模、網格劃分、邊界條件設定、工況的加載等與實際運行時往往有一定的差異，有可能反應不出實際運行情況。針對仿真出現(xiàn)的磁鋼與轉軸軸肩交界處出現(xiàn)的應力集中現(xiàn)象，我們按仿真建模尺寸制作了實際的轉子，采取與轉軸軸肩平齊結構，通過液氮冷套好碳纖維護套，如圖6所示。

圖6 碳纖維護套

試驗轉子轉速升至25 000 r/min，穩(wěn)定運行30 min，停機取出轉子，觀察護套外表面，發(fā)現(xiàn)磁鋼與軸肩交界處的護套外表面已經出現(xiàn)了明顯的裂縫，如圖所示7所示，這也印證了前面仿真的結果，碳纖維護套軸向損壞。

圖7 25 000 r/min轉速下碳纖維護套開裂

試驗轉子繼續(xù)加速到30 000 r/min，穩(wěn)定運行30 min，停機取出轉子，觀察護套外表面，發(fā)現(xiàn)碳纖維護套裂紋進一步擴大，如圖8所示，同時試驗設備周邊發(fā)現(xiàn)脫落的碳纖維絲，此時護套整體還未被破壞。

圖8 30 000 r/min碳纖維護套開裂程度加劇

試驗轉子繼續(xù)進行升速試驗，當轉速達到32 880 r/min時，整個轉子被破壞。破壞后的轉子如圖9、圖10所示。

圖9 32 880 r/min轉速轉子整體被破壞

圖10 破壞后轉子磁鋼粉末和碳纖維護套碎屑

通過前面仿真分析可知，在轉速32 880 r/min下碳纖維護套環(huán)向應力并沒有超過護套環(huán)向的強度，但碳纖維護套開裂處已有散落的纖維絲，碳纖維護套的結構完整性已經遭到破壞，護套整體性能被削弱了。在進一步加速過程中，磁鋼施加給護套的離心力進一步增大，護套喪失了結構完整性，無法均勻地使磁鋼施加給護套的離心力分散到整個護套，即使離心力遠沒有達到護套的強度，護套也被破壞。

3 護套與磁鋼平齊結構超速試驗

鑒于護套與轉軸軸肩平齊結構存在應力集中效應的結構缺陷，通過工裝軸向輔助定位碳纖維護套，優(yōu)化設計了一種護套結構形式，即護套與磁鋼平齊結構，如圖11和圖12所示。對優(yōu)化后的結構進行有限元仿真，材料屬性和邊界條件等設置和前面仿真一樣，計算結果如表3所示，應力云圖如圖13～圖15所示。從有限元仿真結果可以看出，優(yōu)化后的結構，碳纖維護套抵消磁鋼旋轉產生離心力的面積少了，同樣轉速下環(huán)向應力較優(yōu)化前上升明顯，但即使到最高轉速也沒有超過碳纖維護套的強度。同時，優(yōu)化后的結構，軸向沒有明顯的應力集中現(xiàn)象，說明優(yōu)化后的結構可以更充分利用碳纖維護套的性能。

圖11 護套與磁鋼平齊轉子結構圖

圖12 護套與磁鋼平齊結構轉子實物

表3 不同轉速下碳纖維護套的應力值

圖13 護套與磁鋼平齊35 000 r/min時環(huán)向應力云圖

圖14 護套與磁鋼平齊35 000 r/min時軸向內側應力云圖

圖15 護套與磁鋼平齊35 000 r/min時軸向外側應力云圖

用優(yōu)化設計后的試驗轉子進行和前面一樣的試驗，驗證優(yōu)化后的結構的合理性。額定試驗速度25 000 r/min穩(wěn)定運行30 min，停機取出轉子，護套邊緣無明顯異常，見圖16。轉速升到30 000 r/min,穩(wěn)定運行30 min，停機觀察轉子護套邊緣，無明顯異常，見圖17。繼續(xù)升速至35 000 r/min，穩(wěn)定運行30 min。停機取出轉子，護套邊緣以及整個護套都無明顯異常，見圖18。因此優(yōu)化設計后的轉子結構，可以更充分地利用碳纖維護套的性能。

圖17 護套與磁鋼平齊轉子30 000 r/min后狀態(tài)

圖16 護套與磁鋼平齊轉子25 000 r/min后狀態(tài)

圖18 護套與磁鋼平齊轉子35 000 r/min后狀態(tài)

4 結 語

本文研究2種常見表貼式高速永磁電機碳纖維護套轉子結構，通過仿真分析和實際的超速試驗相結合，發(fā)現(xiàn)碳纖維護套與轉軸軸肩平齊結構，碳纖維理論強度利用率較低，但在磁鋼與轉軸軸肩交界處存在嚴重的剪切應力集中，致使護套開裂，隨著轉速的進一步提高，該裂紋會進一步擴大并造成碳纖維的脫落，削弱碳纖維護套整體性能，在沒有達到碳纖維護套強度時，碳纖維護套被破壞，進而造成整個轉子被破壞。對碳纖維護套進行優(yōu)化，使護套與磁鋼齊平，有限元仿真和實際超速試驗都證明了優(yōu)化后轉子結構的合理性。優(yōu)化后結構在軸向上的應力很小，雖然因碳纖維整體用量的減少而使碳纖維護套環(huán)向應力上升，但仍在碳纖維護套強度范圍內。