一种“V”型内置式永磁同步电机最大应力的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种“V”型内置式永磁同步电机最大应力的计算方法，属于永磁电机技术领域。“V”型内置式永磁同步电机最大应力出现在隔磁桥上，通过分析隔磁桥的受力状态与计算隔磁桥所受力的大小计算出隔磁桥受到的平均应力，通过平均应力乘以应力集中系数计算出隔磁桥受到的最大应力。本方法可以写成MATLAB脚本，在电机设计时只需要得知电机相关参数的信息便可以快速的计算出转子所受到的最大应力，从而可以评估电机设计的合理性。为电机设计参数的选取提供了依据。

【技术实现步骤摘要】
一种“V”型内置式永磁同步电机最大应力的计算方法
本专利技术涉及一种“V”型内置式永磁同步电机最大应力的计算方法，属于永磁电机

技术介绍
永磁同步电机具有结构简单，效率高，功率密度高等优点因而在工业界得到了广泛的使用。内置式永磁同步电机转子结构的永磁体位于转子铁芯内部，其转子磁路的不对称结构使得交直轴电感不同，也有利于增大磁阻转矩，提高电机功率密度，并且易于弱磁扩速，增强电机性能，扩大电机恒功率运行范围。近年来虽然提出了多种内置式永磁同步电机转子的拓扑结构，但“V”型内置式永磁同步电机拓扑结构比其他拓扑结构表现出更好的性能，因此在电机结构设计中依然被广泛使用。然而对于“V”型内置式永磁同步电机的转子结构设计有一定的困难，因为关系到电机电磁特性与机械特性的权衡问题，从电磁特性的角度看，薄的隔磁桥可以减少漏磁通，提升其电磁性能，但是在电机转子旋转时，隔磁桥上的承受的应力相对较大，如果隔磁桥太薄会导致机械特性较差，严重时甚至导致电机的损坏。由于“V”型内置式永磁同步电机几何形状的复杂性，隔磁桥应力通常使用有限元分析计算。在基于多目标优化的设计中，取决于设计的大小在设计中考虑空间和操作点的数量，需要进行大量分析以评估候选设计。因此，需要找出一种快速计算转子最大应力的方法。在文献中提出了一种计算“V”型内置式永磁同步电机的转子最大应力的方法，使用Timoshenko(铁木辛柯)梁理论描述顶部隔磁桥的形变，将转子极靴上的形变等效成弹簧网络来计算极靴的等效刚度，极靴和隔磁桥的变形被组合成线性方程组，从而计算施加在隔磁桥上的机械负载。从而计算出隔磁桥上的平均应力，以平均应力乘以应力集中系数计算出隔磁桥上的最大应力，但是文献中没有对应力集中系数的选取和计算作出具体的说明。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题,本专利技术提出了一种“V”型内置式永磁同步电机最大应力的计算方法，计算出的最大应力与有限元仿真结果有较好的一致性。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种“V”型内置式永磁同步电机最大应力的计算方法，包含以下步骤：步骤1：分析造成隔磁桥应力的原因并且对造成隔磁桥主要形变的区域进行受力分析；步骤2：计算整个分析区域的离心力；步骤3：根据受力分析中间隔磁桥与顶部隔磁桥的受力状态与隔磁桥受力与形变的关系；步骤4：引入一种有限元模型来描述极靴的刚度，从而根据极靴的受力状态和极靴的刚度方程来表示极靴径向与切向的形变量的关系，从而得到中间隔磁桥与顶部隔磁桥形变的关系；步骤5：将中间隔磁桥受力与形变的方程，顶部隔磁桥受力与形变的方程，中间隔磁桥与顶部隔磁桥形变的关系方程与极靴区域受力分析的状态方程联立，得到中间隔磁桥上面受到的拉伸力，从而得到中间隔磁桥上的平均应力；步骤6：选用应力集中模型来得到相应的应力集中系数，从而计算出中间隔磁桥上出现的最大应力，中间隔磁桥上的最大应力即为转子的最大应力。步骤1所述造成隔磁桥应力的原因为：中间隔磁桥主要是受到了径向的拉伸力，顶部隔磁桥主要受到径向的剪切力和切向的拉伸力。步骤2所述离心力的求解方法如下所示式中Fω-------灰色区域受到的离心力；m------灰色区域的质量；ωrm------旋转的角速度；-----灰色区域的等效质心半径。步骤5所述中间隔磁桥形变和受力的关系如下：式中Δrbi-----中间隔磁桥的形变；dbi------中间隔磁桥的径向长度；Fbi------中间隔磁桥作用于灰色区域的力；Er-------杨氏模量；Ai------中间隔磁桥的截面积。步骤6所述中间隔磁桥上的最大应力如下所示：式中Kbi-----应力集中系数，其数值与几何形状有关；σbi,mx-----中间隔磁桥应力的最大值。本专利技术的有益效果如下：本方法使用了较为合理的模型评估应力集中系数，使计算出的最大应力可以与有限元仿真结果有较好的一致性，更改电机转子的不同参数得到的误差基本都在10％之内。通过本专利技术的方法，可以将该方法写成MATLAB脚本，可在电机设计时只需要得知内置式永磁同步电机转子的相关参数的信息便可以快速的计算出转子所受到的最大应力，不要去花大量的时间建立有限元模型，就可以评估电机设计的合理性。同时也为内置式永磁同步电机转子相关参数的设计提供了一定的依据。附图说明图1为解析计算最大应力的流程图。图2为灰色区域受力状态分析图。图3为在顶部隔磁桥建立坐标系示意图。图4为将极靴等效成弹簧的示意图。图5为分析极靴形变所用到的模型图。图6为lp，wp的示意图。图7为估算应力集中系数模型的等效过程图。图8为更改中间隔磁桥倒角后解析最大应力与仿真最大应力的对比图。图9为更改中间隔磁桥宽度后解析最大应力与仿真最大应力的对比图。图10为更改顶部隔磁桥宽度后解析最大应力与仿真最大应力的对比图。图11为更改顶部隔磁桥倒角后解析最大应力与仿真最大应力的对比图。图12为更改极靴角后解析最大应力与仿真最大应力的对比图。图13为更改永磁体之间的夹角后最大应力与仿真最大应力的对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术创造做进一步详细说明。一种快速计算内置式永磁同步电机最大应力的解析方法，由于对于“V”型内置式永磁同步电机的转子最大应力出现在中间隔磁桥上，因此解析转子的最大应力即为解析中间隔磁桥上的应力，解析的流程图如图1所示，具体包括以下步骤：步骤1：电机旋转时施加在隔磁桥上的应力主要是由于极靴和永磁体共同产生的离心力，即图2中的灰色区域所产生的离心力，对灰色区域进行受力分析如图2所示，根据受力状态列写受力分析方程2sin(ψ)Nbo+2cos(ψ)Vbo+Fbi＝Fω(1)式中Nbo-----顶部隔磁桥作用于灰色区域的力的径向分量；Vbo------顶部隔磁桥作用于灰色区域的力的切向分量；Fbi------中间隔磁桥作用于灰色区域的力；ψ-------极靴角；Fω-------灰色区域受到的离心力。步骤2：求解灰色区域的离心力，离心力求解方法如下所示式中m------灰色区域的质量；ωrm------旋转的角速度；-----灰色区域的等效质心半径。步骤3：中间隔磁桥形变的求解，根据以下方程求解出中间隔磁桥形变和受力的关系式中Δrbi-----中间隔磁桥的形变；dbi------中间隔磁桥的径向长度；Er-------杨氏模量；Ai------中间隔磁桥的截面积。步骤4：将顶部的隔磁桥近似认为直梁，使用Timoshenko(铁木辛柯)梁理论描述顶部隔磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种“V”型内置式永磁同步电机最大应力的计算方法，其特征在于，包含以下步骤：/n步骤1：分析造成隔磁桥应力的原因并且对造成隔磁桥主要形变的区域进行受力分析；/n步骤2：计算整个分析区域的离心力；/n步骤3：根据受力分析中间隔磁桥与顶部隔磁桥的受力状态与隔磁桥受力与形变的关系；/n步骤4：引入一种有限元模型来描述极靴的刚度，从而根据极靴的受力状态和极靴的刚度方程来表示极靴径向与切向的形变量的关系，从而得到中间隔磁桥与顶部隔磁桥形变的关系；/n步骤5：将中间隔磁桥受力与形变的方程，顶部隔磁桥受力与形变的方程，中间隔磁桥与顶部隔磁桥形变的关系方程以及极靴区域受力分析的状态方程联立，得到中间隔磁桥上面受到的拉伸力，从而得到中间隔磁桥上的平均应力；/n步骤6：选用应力集中模型来得到相应的应力集中系数，从而计算出中间隔磁桥上出现的最大应力，中间隔磁桥上的最大应力即为转子的最大应力。/n

【技术特征摘要】
1.一种“V”型内置式永磁同步电机最大应力的计算方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：分析造成隔磁桥应力的原因并且对造成隔磁桥主要形变的区域进行受力分析；
步骤2：计算整个分析区域的离心力；
步骤3：根据受力分析中间隔磁桥与顶部隔磁桥的受力状态与隔磁桥受力与形变的关系；
步骤4：引入一种有限元模型来描述极靴的刚度，从而根据极靴的受力状态和极靴的刚度方程来表示极靴径向与切向的形变量的关系，从而得到中间隔磁桥与顶部隔磁桥形变的关系；
步骤5：将中间隔磁桥受力与形变的方程，顶部隔磁桥受力与形变的方程，中间隔磁桥与顶部隔磁桥形变的关系方程以及极靴区域受力分析的状态方程联立，得到中间隔磁桥上面受到的拉伸力，从而得到中间隔磁桥上的平均应力；
步骤6：选用应力集中模型来得到相应的应力集中系数，从而计算出中间隔磁桥上出现的最大应力，中间隔磁桥上的最大应力即为转子的最大应力。


2.根据权利要求1所述的一种“V”型内置式永磁同步电机最大应力的计算方法，其特征在于，步骤1所述造成隔磁桥应力的原因为：中间隔磁桥主要是受到了径向的拉伸力，顶部隔磁桥主要受到径向的剪切力和切向的拉伸力。

【专利技术属性】
技术研发人员：张吉宇，姜文颖，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32