转子系统的动态优化设计研究

转子-轴承系统动力学特性研究的开题报告一、选题背景和意义转子-轴承系统是旋转机械的重要组成部分，其动力学特性对机械的性能和寿命具有重要影响。

因此，对转子-轴承系统的动力学特性进行研究具有重要的理论和应用价值，可以为旋转机械的设计、制造、维护等工作提供科学依据。

二、研究目的和内容本文旨在研究转子-轴承系统的动力学特性，主要包括以下目标和内容：（一）研究转子-轴承系统的运动学和动力学特性，包括旋转、振动、摩擦等方面的特性；（二）通过建立合适的数学模型，对转子-轴承系统的动力学特性进行模拟和仿真，验证模型的准确性并探讨其应用价值；（三）研究转子-轴承系统的稳定性和自振特性，包括转子的临界转速和共振等问题；（四）探讨转子-轴承系统的优化设计方法，包括轴承参数、转子质量分布、减振措施等方面的优化。

三、研究方法本文将采用理论分析、数值模拟、实验测试等方法，综合研究转子-轴承系统的动力学特性。

具体方法包括：（一）建立转子-轴承系统的数学模型，包括运动学模型、动力学模型、摩擦模型等；（二）通过数值计算、仿真和实验测试等方法，验证模型的准确性并探讨其应用价值；（三）利用数学工具和分析方法，分析转子-轴承系统的稳定性和自振特性，包括临界转速、共振等问题；（四）通过对转子-轴承系统参数的优化设计，提高系统的稳定性和性能。

四、研究计划和进度安排本文的研究计划和进度安排如下：阶段一：文献调研和理论分析（1-2个月）主要任务为收集文献资料，了解转子-轴承系统的研究现状和前沿，掌握系统的基本理论和分析方法。

阶段二：数学模型的建立和仿真分析（3-4个月）主要任务为建立转子-轴承系统的数学模型，并通过数值计算和仿真等方法，对系统的动力学特性进行分析和研究。

阶段三：实验测试及数据处理（2-3个月）主要任务为进行实验测试，获得实验数据，通过数据处理和分析，验证数学模型的准确性。

阶段四：优化设计和方案提出（2-3个月）主要任务为根据研究结果，提出转子-轴承系统的优化设计方案，提高系统的稳定性和性能。

油膜阻尼器--滑动轴承转子系统优化设计
王继燕;赵玉成
【期刊名称】《噪声与振动控制》
【年(卷),期】2013(000)004
【摘要】挤压油膜阻尼器在一定程度上可以提高旋转机械系统稳定性。

运用数值模拟的方法，对SFD―滑动轴承转子系统的灵敏度及动力学优化进行系统研究。

研究表明：挤压油膜阻尼器间隙、轴承间隙、转轴刚度及油粘度对前两阶临界转速的影响较大，系统对这些参数的灵敏度相对较高。

基于灵敏度分析得到优化的设计变量，采用遗传算法对临界转速进行了优化分析，优化目标是使工作转速尽可能远离临界转速。

经过优化后，系统的临界转速得到较大改善。

优化设计为提高高速转子系统的动力稳定性提供了理论基础和分析方法，从而为此类转子系统的设计提供参考。

【总页数】4页(P103-106)
【作者】王继燕;赵玉成
【作者单位】山东交通学院理学院，济南 250023;中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州 221116
【正文语种】中文
【中图分类】TB53;O322
【相关文献】
1.挤压油膜阻尼器—滑动轴承—转子系统非线性动力特性的数值分析及实验研究[J], 华军;许庆余;张家忠
2.挤压油膜阻尼器对滑动轴承-转子系统的影响 [J], 徐华;孙铁绳;陈刚
3.基于可控挤压油膜阻尼器的滑动轴承-转子系统减振特性研究 [J], 沈轶钒;王小静;张瑾;李召伦;陈超
4.参数变化对挤压油膜阻尼器滑动轴承-转子系统动力响应的影响 [J], 王继燕;李丛丛
5.挤压油膜阻尼器-滑动轴承-柔性转子系统的动力响应分析 [J], 吕晓光;赵玉成;卢纪
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永磁同步电机设计优化研究摘要：本文首先对永磁同步电机的构成及特点进行了分析，认为传统永磁同步电机设计过程中，在材料选择、热管理、磁场设计等方面存在局限性。

在此基础上，本文分析了永磁同步电机材料选择方面的优化措施，围绕永磁同步电机定子结构、转子结构方面的具体优化思路原理并结合实例展开分析，希望为相关从业人员提供一定的参考。

关键词：永磁同步电机；优化设计；定子结构；转子结构0.引言永磁同步电机是一种高效、高功率密度的电机，具有广泛的应用领域，如电动汽车、工业驱动和可再生能源等。

然而，为了实现其最佳性能和效率，对永磁同步电机的设计进行优化是非常重要的。

具体来说：其一，提高能效。

优化设计可以减少电机的功率损耗，提高能效。

通过减小电机的电阻、铁损和铜损，可以降低能耗，提高电机的效率。

其二，提高功率密度。

通过优化电机的结构和材料选择，可以提高电机的功率密度，实现更高的功率输出。

这对于一些有限空间或重量限制的应用非常重要。

其三，提高动态响应特性。

优化设计可以改善电机的动态响应特性，使其能够更快地响应负载变化。

这对于一些需要频繁启动和停止的应用来说非常重要，如电动汽车和机械驱动系统。

由此可见，围绕永磁同步电机进行优化设计存在必要性，值得重点分析。

1.永磁同步电机的构成及特点分析1.1永磁同步电机的构成永磁同步电机（PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor）是一种利用永磁材料作为电机励磁源的同步电机[1]。

该设备的工作原理是通过控制永磁同步电机定子绕组的电流，产生磁场与永磁体产生的磁场进行交互，便可以产生转矩，驱动电机旋转。

永磁同步电机一般由以下部分构成：其一，定子。

永磁同步电机的定子结构与普通三相异步电机相似，是由硅钢片叠压而成的，绕上三相对称的电流，产生旋转磁场。

其二，转子。

永磁同步电机的转子是由永久磁铁制造的，永久磁铁的主要材料有钕铁硼、钐钴等。

永久磁铁可以产生稳定的磁场，与定子产生的旋转磁场互动，产生动力，驱动电机转动。

航空发动机转子动态平衡的仿真分析研究航空发动机是现代飞行器必不可少的核心装备，发动机转子是发动机内最为重要的零部件之一。

由于长时间的高速旋转，转子的平衡状态一旦出现失调，就会对飞行器带来严重的安全隐患。

因此，保证发动机转子的平衡性能，是发动机研制和运行中必须重视的问题。

本文将通过仿真分析的方式，研究航空发动机转子动态平衡的相关问题。

1. 转子动态平衡的基本原理转子动态平衡是指在转子运转过程中，通过调整转子各部位的平衡质量，使转子保持稳定的旋转状态。

转子动态平衡的本质是控制旋转质量力矩和旋转惯量力矩之间的平衡关系，以达到使旋转中心与重心重合的目标。

转子动态平衡主要有两种方法：质量均衡法和振动分析法。

质量均衡法是通过添加或移除质量，来调整转子的质量分布情况，以达到平衡的目的。

具体来说，就是在转子上加装或减去适量的平衡质量，使得重心位置与转子轴心重合。

振动分析法是基于振动传感器的振动测量，利用模拟或数字信号处理技术，获得转子在运行过程中出现的不平衡情况，从而进行调整。

这种方法的优点是测量精度高、适用范围广，但需要较高的成本和技术支持。

2. 转子动态平衡的仿真模型建立为了进一步研究转子动态平衡的问题，需要建立转子动态平衡仿真模型。

在建立模型之前，需要考虑以下因素：(1) 转子的基本参数：转子的长度、直径、转速、材质等。

(2) 质量分布情况：转子上各部位质量分布情况。

(3) 平衡模式：通过质量均衡法或振动分析法进行平衡。

基于以上因素，可以建立转子动态平衡仿真模型。

通过有限元分析或者其他仿真软件进行仿真，获得转子在运行过程中的振动情况和旋转平衡状况。

3. 仿真分析与实验对比在得到转子动态平衡仿真模型后，需要进行仿真分析。

通过模拟转子在运行过程中的振动情况，得到转子在不同平衡条件下的振动幅值和相位差。

通过对比不同平衡条件下的振动数据，可以得到哪种平衡方式更为优越。

同时，在进行仿真分析的同时，也需要进行实验对比。

转子动力学建模
转子动力学建模是一种用于研究旋转机械系统运动规律的方法。

该方法是基于刚体动力学理论，通过建立数学模型来描述转子的运动
状态和受力情况，从而预测其运动稳定性、振动响应和疲劳寿命等指标。

转子动力学建模的过程主要包括以下几个步骤：确定系统结构、
建立数学模型、求解运动方程、分析运动稳定性和振动响应。

其中，
建立数学模型是关键环节，其主要任务是描述系统的结构和运动特性，以及各个部件之间的相互作用关系。

转子动力学模型通常采用有限元
方法、多体系统动力学方法和基于位移的方法等。

在建立数学模型时，需考虑转子的几何形状、材料特性、支撑方式、受力情况等因素。

同时，还需考虑转子的动力学特性，如离心力、振动、旋转惯性等影响因素。

其中，离心力是影响转子运动的主要因素，其大小与转子的转速、叶轮重量和离心力系数等相关。

通过求解运动方程，可以得到系统的运动状态和受力情况，从而
分析转子的稳定性和振动响应。

通过对模型的分析与计算，可以得到
一些重要参数，如关键转速、共振频率和疲劳寿命等。

这些参数对于
设计和优化旋转机械系统具有重要意义。

总的来说，转子动力学建模是研究旋转机械系统的重要方法，其
为研究系统运动规律和优化设计提供了理论基础。

转子系统动力学1. 引言转子系统动力学是研究转子在运动过程中的力学特性和动力学行为的学科。

转子系统广泛应用于各种机械设备中，例如发电机、涡轮机、离心压缩机等。

深入了解转子系统的动力学行为对于设计和优化这些机械设备至关重要。

转子系统动力学的研究内容包括转子的振动特性、转子的稳定性、转子的受力分析等。

在转子系统动力学中，转子被视为一个连续体，其运动受到各种力的作用，包括离心力、重力、惯性力等。

通过对这些力的分析和计算，可以获得转子的运动规律和稳定性。

2. 转子的振动特性转子的振动特性是转子系统动力学研究的重要内容之一。

转子的振动可以分为自由振动和强迫振动两种情况。

2.1 自由振动自由振动是指转子在没有外界力作用下的振动。

自由振动的特点是振幅和频率都是固定的，振动形式可以是简谐振动或复杂振动。

自由振动的频率由转子的刚度和质量分布决定。

2.2 强迫振动强迫振动是指转子在外界激励力作用下的振动。

外界激励力可以是周期性的，也可以是非周期性的。

强迫振动的特点是振幅和频率随外界激励力的变化而变化。

3. 转子的稳定性转子的稳定性是指转子在运动过程中是否保持平衡状态的能力。

稳定性的分析可以通过线性稳定性分析和非线性稳定性分析两种方法进行。

3.1 线性稳定性分析线性稳定性分析是指通过线性化转子系统的运动方程，然后对线性化方程进行分析，判断转子系统的稳定性。

线性稳定性分析的基本思想是将非线性问题近似为线性问题，通过对线性问题的分析来判断转子系统的稳定性。

3.2 非线性稳定性分析非线性稳定性分析是指直接对转子系统的非线性运动方程进行分析，判断转子系统的稳定性。

非线性稳定性分析考虑了转子系统的非线性特性，能够更准确地描述转子系统的稳定性。

4. 转子的受力分析转子的受力分析是研究转子系统动力学的重要内容之一。

转子在运动过程中受到各种力的作用，包括离心力、重力、惯性力等。

4.1 离心力离心力是转子在旋转过程中由于离心力的作用而产生的力。

永磁同步电动机转子部分的结构分析与研究摘要：永磁同步电机具有许多优点，是未来最具应用前景的电机之一。

本文介绍了永磁同步电机的特点和工作原理，全面剖析了永磁同步电机转子部分的结构，并提出了一些优化思路。

关键词：永磁同步电机；转子；结构分析；优化随着我国制造业的发展，电子工业也得到了快速的进步，作为装备制造业的核心关键技术，高质量的电动机系统成为人们关注的重要焦点之一。

电机的综合性能可以直接影响弊端装备制造的效率和产品质量，而永磁同步电机（Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM）相对于传统的电机系统具有诸多优点，是未来最具使用前景的电机之一。

本文主要研究永磁同步电机的转子结构和优化问题。

1永磁同步电机概述1.1永磁同步电机的特点所谓“永磁”是指电机转子部分是采用永磁体为原料制造的，这是对传统电机结构的一种优化，使电机综合性能得到了进一步的提升。

而所谓“同步”是指转子转速恰好等于定子绕组的电流频率，通过改变输入定子绕组的电流频率来达到控制电机转速的目的。

与传统的电机相比，永磁电机具有体积小、重量轻、功率高、转矩大、结构简单等优点，尤其是在功率/质量比、极限转速、制动性能等方面的性能提升更是十分明显。

随着各种新技术、新工艺和新材料的出现，永磁同步电机的励磁方式也在持续发展和优化，目前已经可以实现励磁装置的自适应最佳调节。

永磁同步电机非常适用于要求连续的、均速的、单方向运行的机械设备，如风机、泵、压缩机、普通机床等，因而在工业、农业等领域均有着广泛的应用。

1.2永磁同步电机的工作原理在传统的交流异步电机中，首先要求定子的旋转磁场在转子绕组中感应出电流，然后再由这些感应电流产生转子磁场。

根据楞次定律，转子始终保持着跟随定子旋转磁场转动的状态，但其速度总会慢一些，因而被形象地称为“异步”电机。

现在假设转子绕组电流不是由定子旋转磁场感应出来的，而是其本身提供的，那么显然转子磁场就和定子旋转磁场没有什么关系了。

转子动力学研究的回顾与展望一、本文概述转子动力学，作为机械工程和航空航天工程领域的一个重要分支，主要研究旋转机械系统中转子的运动特性和稳定性问题。

随着科技的不断进步和工业的快速发展，转子动力学的研究不仅在理论层面取得了显著的突破，更在实际应用中发挥了不可替代的作用。

本文旨在全面回顾转子动力学的发展历程，总结其研究现状，并在此基础上展望未来的研究方向和潜在的应用前景。

文章将首先回顾转子动力学的起源和发展历程，介绍其从早期的线性理论到现代的非线性、多体动力学理论的演变过程。

接着，本文将综述转子动力学的主要研究内容和方法，包括转子系统的建模、稳定性分析、振动控制等方面，并重点分析当前研究的热点和难点。

在此基础上，文章将展望转子动力学未来的发展趋势，探讨新的理论方法和技术手段在转子动力学研究中的应用前景，以期为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和启示。

二、转子动力学研究的回顾转子动力学，作为机械工程和航空航天领域的重要分支，其研究历史可追溯至19世纪末期。

自那时起，科学家们就开始了对旋转机械中转子行为特性的探索，以优化其性能并减少故障。

在20世纪早期，转子动力学主要关注转子的平衡问题，即如何通过设计和加工消除不平衡引起的振动。

随着工业技术的进步，转子的尺寸和速度不断增加，其动力学行为变得更为复杂。

因此，研究者开始关注转子的临界转速、稳定性以及振动控制等问题。

到了20世纪中后期，随着计算机技术的飞速发展，转子动力学的研究方法发生了革命性的变化。

数值分析、有限元法等计算方法的引入，使得研究者能够更准确地模拟和分析转子的动态行为。

同时，实验技术的进步也为转子动力学研究提供了更多手段。

进入21世纪，转子动力学的研究领域进一步拓宽。

除了传统的旋转机械外，还涉及到了风力发电机、燃气轮机、航空发动机等新型旋转机械。

随着对非线性动力学、混沌理论等的研究深入，转子动力学的理论体系也在不断完善和丰富。

回顾转子动力学的发展历程，我们可以看到其从简单的平衡问题发展到复杂的动力学行为分析，从单一的实验手段发展到多元化的研究方法。

㊀第５２卷２０１９年㊀第３期３月ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳＶｏｌ ５２.Ｎｏ ３Ｍａｒ ２０１９高速永磁无刷直流电机转子优化设计与试验研究周凤争１ꎬ孟庆霖２ꎬ孟峥峥１ꎬ王浩鸣１ꎬ朱晓辉１(１.国网天津市电力公司电力科学研究院ꎬ天津３００３８４ꎻ２.国网天津市电力公司审计部ꎬ天津３０００１０)摘㊀要:高速永磁无刷直流电机具有功率密度高㊁体积小㊁效率高等优点ꎬ在很多领域有着广泛的应用ꎮ对比分析了不同的转子充磁方式和转子支撑结构对气隙磁场㊁齿槽转矩和转子动力学的影响ꎬ优化设计了平行充磁和两端式支撑结构的２ ３ｋＷ㊁１５００００ｒ/ｍｉｎ高速永磁无刷直流电机样机和控制系统ꎬ进行了试验论证ꎬ试验研究表明:两端式轴承支撑结构的转子成功运行到１００ꎬ０００ｒ/ｍｉｎ以上ꎮ关键词:高速电机ꎻ永磁无刷直流电机ꎻ充磁方式ꎻ转子动力学中图分类号:ＴＭ３６＋１ꎻＴＭ３５５㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００１￣６８４８(２０１９)０３￣０００５￣０４ＯｐｔｉｍａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＲｏｔｏｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｎＨｉｇｈＳｐｅｅｄＰＭＢＬＤＣＭｏｔｏｒｓＺＨＯＵＦｅｎｇｚｈｅｎｇ１ꎬＭＥＮＧＱｉｎｇｌｉｎ２ꎬＭＥＮＧＺｈｅｎｇｚｈｅｎｇ１ꎬＷＡＮＧＨａｏｍｉｎｇ１ꎬＺＨＵＸｉａｏｈｕｉ１(１.ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｔｅＧｒｉｄＴｉａｎｊｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎꎬＴｉａｎｊｉｎ３００３８４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＡｕｄｉｔｏｆＳｔａｔｅＧｒｉｄＴｉａｎｊｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎꎬＴｉａｎｊｉｎ３００１５１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＨｉｇｈｓｐｅｅｄＰＭＢＬＤＣｍｏｔｏｒｓｈａｖｅｂｅｅｎｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｅｍｐｌｏｙｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙａｐｐｌｉｃａ￣ｔｉｏｎｓꎬｄｕｅｔｏｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ.Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｒｏｔｏｒｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎｓａｎｄｒｏｔｏｒｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎｔｈｅａｉｒ￣ｇａｐｆｉｅｌｄꎬｃｏｇｇｉｎｇｔｏｒｑｕｅａｎｄｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒｗｅｒｅｃｏｍ￣ｐａｒａｔｉｖｅｌｙｓｔｕｄｉｅｄ.Ａｒａｔｉｎｇｏｆ２ ３ｋＷꎬ１５０ｋｒ/ｍｉｎｈｉｇｈｓｐｅｅｄｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｏｐｔｉｍａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｗｏｅｎｄｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｒｕｎｎｉｎｇｕｐｔｏ１００ｋｒｐｍ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒꎻｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒꎻｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎꎻｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃ收稿日期:２０１８０３２０作者简介:周凤争(１９８１)ꎬ男ꎬ博士ꎬ高级工程师ꎬ研究方向为高压电缆试验技术ꎮ孟庆霖(１９８０)ꎬ男ꎬ硕士ꎬ高级工程师ꎬ研究方向为电力审计ꎮ孟峥峥(１９８５)ꎬ女ꎬ硕士ꎬ高级工程师ꎬ研究方向为高压电缆试验技术ꎮ王浩鸣(１９８５)ꎬ男ꎬ博士ꎬ高级工程师ꎬ研究方向为高压电缆试验技术ꎮ朱晓辉(１９６３)ꎬ男ꎬ博士ꎬ教授级高级工程师ꎬ研究方向为高压电缆试验技术ꎮ０㊀引㊀言高速永磁无刷直流电机具有功率密度高㊁体积小㊁效率高等优点ꎬ在很多领域有着广泛的应用ꎬ例如ꎬ核材料的离心分离装置㊁高速陀螺仪㊁旋转储能装置㊁高速电动工具以及电动涡轮增压器等ꎮ转子充磁方式和支撑结构动力学分析是高速永磁无刷直流电机设计的主要问题之一[１－２]ꎮ对于高速永磁无刷直流电机来说ꎬ转子永磁体通常采用面贴式结构ꎬ气隙磁场和齿槽转矩均与转子充磁方式有关ꎬ本文对平行和径向充磁进行对比研究ꎮ文献[４－５]设计了７５ｋＷ㊁６０ꎬ０００ｒ/ｍｉｎ的高速永磁电机ꎬ对磁力轴承－转子系统的临界转速进行了计算ꎮ电磁轴承需要非常复杂的控制系统ꎬ轴承本身的体积可能比电机大得多ꎬ且长期的可靠性(尤其在振动严重的场合)难以保障ꎮ空气轴承结构稍微简单一些ꎬ但需要压缩空气ꎬ整个系统体积很大ꎬ耗能较多ꎮ为满足长期工作的可靠性ꎬ本文采用精密滚珠轴承支撑转子运行ꎬ设计两种不同结构的转子ꎬ即单端式支撑结构和两端式支撑结构ꎬ并对两种结构进行了转子动力学分析ꎬ并通过了试验论证ꎮ５２卷１㊀转子永磁体充磁方式的对比研究本文优化设计了２ ３ｋＷ㊁１５００００ｒ/ｍｉｎ高速永磁无刷直流电机样机ꎬ转子永磁体采用面贴式结构ꎬ气隙磁场和齿槽转矩均受磁钢充磁方式的影响ꎬ对平行和径向(也称辐射)两种充磁方式做对比研究ꎮ１ １㊀气隙磁场波形及幅值平行充磁和径向充磁在磁瓦生产过程中都很常用ꎮ图１为高速永磁电机转子２极磁瓦在不同充磁方式下所得的气隙磁场分布波形ꎮ采用平行充磁时气隙磁场呈正弦分布ꎬ径向充磁时气隙磁场接近梯形波分布ꎮ经傅里叶分解ꎬ径向充磁的气隙磁场基波分量是平行充磁的１０７ １％ꎬ３次㊁５次和７次谐波分别是其基波的２２ ３％㊁９ ５％和１ ４％ꎮ径向充磁和平行充磁相比ꎬ虽然能将基波气隙磁场提高７ １％ꎬ但是气隙磁场中含有大量谐波分量ꎮ图１㊀不同充磁方式下的气隙磁场１ ２㊀齿槽转矩齿槽转矩是评价永磁无刷电机性能的重要指标ꎮ通常情况下ꎬ若气隙磁场趋向正弦分布ꎬ则齿槽转矩就比较小ꎬ这是多极永磁无刷交流伺服电机采用Ｈａｌｂａｃｈ磁钢的重要原因ꎮ在两极电机中ꎬ若１８０ʎ磁瓦采用平行充磁ꎬ则气隙磁场就是正弦分布ꎮ通过采用平行充磁能有效降低齿槽转矩ꎬ图２的有元分析结果就证明了这一点ꎬ和平行充磁相比ꎬ径向充磁的齿槽转矩峰值为４ｍＮｍꎬ而平行充磁的齿槽转矩几乎可以忽略不计ꎮ图２㊀平行和径向充磁方式下齿槽转矩的比较２㊀转子支撑结构的动力学分析转子支撑结构和动力学分析是高速永磁无刷直流电机的主要问题之一ꎮ本文采用精密的滚珠轴承ꎬ根据轴承与转子重心的位置不同ꎬ设计制作了两种不同结构的转子ꎬ即单端式支撑结构(即:轴承位于转子重心的一侧)和两端式支撑结构(即:轴承位于转子重心的两侧)ꎬ如图３和图４所示ꎬ并对两种结构进行了转子动力学分析ꎮ图３㊀单端式支撑结构图４㊀两端式支撑结构采用Ａｎｓｙｓ有限元软件对图３和图４的转子进行了动力学分析ꎬ转轴材料为导磁不锈钢２Ｃｒ１３ꎬ分析结果如图５㊁图６和表１所示ꎮ研究表明:当转子由轴承支撑时ꎬ转子会增加两种低频模态:圆柱和圆锥模态ꎬ其固有频率都比一阶弯曲模态要低ꎮ６㊀３期周凤争等:高速永磁无刷直流电机转子优化设计与试验研究图５㊀单端式轴承支撑转子模态分析单端式支撑结构转子重心位于图３所示转子的左侧ꎬ圆柱模态时ꎬ转子的重心侧严重偏离轴心位置ꎬ如图５(ａ)所示ꎬ当偏离幅度大于气隙长度时ꎬ将导致电机运行失败ꎮ单端式支撑结构的轴承集中在转轴一侧ꎬ转子长度增加ꎬ使得转子的临界频率降低ꎮ为了提高临界频率ꎬ轴承分别放置在转轴两端ꎬ如图４所示ꎮ两端式轴承支撑结构的转子重心位于轴承支撑的中间ꎬ和单端式轴承支撑结构不同ꎬ圆柱模态和圆锥模态时ꎬ转子受轴承约束ꎬ偏离轴心幅度很小ꎬ只要定转子之间的气隙足够大ꎬ转子会很容易的跨过圆柱和圆锥模态ꎮ有限元分析结果如图６和表１所示ꎬ相比单端式支撑结构ꎬ两端式支撑结构大幅提高了转子的临界频率ꎮ下面的试验运行也证明了通过把单端式轴承支撑结构改为两端式轴承支撑结构能够提高转子的临界频率ꎬ两端式轴承支撑结构的转子成功运行到１００ꎬ０００ｒ/ｍｉｎ以上ꎮ图６㊀两端式轴承支撑转子模态分析表１㊀转子结构弯曲模态对比模态单端式频率/Ｈｚ两端式频率/Ｈｚ圆柱模态４６９２１０７圆锥模态１４６６２４４６一阶模态３４６４４７５２二阶模态５９３２１０５０４３　高速永磁无刷直流电机的实验研究考虑到高速永磁无刷直流电机运行的可靠性ꎬ设计了基于ＭＣ３３０３５无刷直流电机专用控制芯片为核心的控制系统ꎬ其基本构成框图如图７所示ꎮ图７㊀高速永磁无刷直流电机控制系统框图信号检测主要包括电流和转子位置信号的采集和检测ꎮ由于电流霍尔元件输出为电流型信号ꎬ经采样电阻转换为电压信号后再经过电容高频滤波输入到ＭＣ３３０３５的９号管脚ꎬ与１５号管脚的０ １Ｖ的电压信号进行比较ꎬ进行过流保护ꎮ转子位置信号通过电角度互差１２０ʎ的３个霍尔位置传感器编码得到ꎮ霍尔电路板做成电机的端压板ꎬ如图８所示ꎮ为了减小布线长度ꎬ中间的霍尔安装时反向１８０ʎꎮ转子永磁体的长度比定子铁芯两端各长２ｍｍꎬ抵消永磁体端部漏磁对电机性能的影响以及用于提供霍尔位置传感器所需磁场ꎮ图８㊀霍尔位置传感器布置图在设计的高速永磁无刷直流电机实验装置平台上ꎬ进行了实验研究ꎮ电机绕组反电势波形如图９７５２卷所示ꎬ实际永磁体平行充磁不太理想ꎬ反电势波形并不是完美的正弦波ꎬ实验波形和仿真计算的反电势波形基本吻合ꎮ图９㊀绕组反电势波形单端式支撑结构转子在运行转速达到４０ꎬ０００ｒ/ｍｉｎ以上时ꎬ转子保护环和定子齿部发生了摩擦ꎬ转子局部损坏如图１０所示ꎬ发生摩擦后破坏了转子动平衡ꎬ导致电机运行失败ꎮ两端式支撑结构的转子成功运行到１００ꎬ０００ｒ/ｍｉｎ以上ꎬ其电流波形如图１１所示ꎮ图１０㊀单端式轴承支撑局部损坏图图１１㊀电机运行于１００ꎬ０００ｒ/ｍｉｎ的电流波形(１０Ａ/ｄｉｖ)４㊀结㊀论本文对比分析了不同的转子充磁方式和转子支撑结构对气隙磁场㊁齿槽转矩和转子动力学的影响ꎮ采用平行充磁时气隙磁场呈正弦分布ꎬ径向充磁时气隙磁场接近梯形波分布ꎮ研究表明:平行充磁的气隙磁场中３次㊁５次和７次谐波分量小ꎬ并能有效降低齿槽转矩ꎬ因此平行充磁方式优于径向充磁方式ꎮ对单端式和两端式支撑结构进行了转子动力学分析ꎬ和单端式结构相比ꎬ两端式支撑结构能够提高转子的临界频率ꎮ本文优化设计了平行充磁和两端式支撑结构的２ ３ｋＷ㊁１５００００ｒ/ｍｉｎ高速永磁无刷直流电机样机和控制系统并进行了试验论证ꎬ试验表明:两端式轴承支撑结构的转子成功运行到１００ꎬ０００ｒ/ｍｉｎ以上ꎮ参考文献[１]㊀周凤争.高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响[Ｄ].杭州:浙江大学ꎬ２００８.[２]㊀ＦＺＺｈｏｕꎬＪＸＳｈｅｎꎬＷＺＦｅｉꎬｅｔａｌ.ＳｔｕｄｙｏｆＲｅｔａｉｎｉｎｇＳｌｅｅｖｅａｎｄＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＳｈｉｅｌｄａｎｄＴｈｅｉｒＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎＲｏｔｏｒＬｏｓｓｉｎＨｉｇｈ￣ＳｐｅｅｄＰＭＢＬＤＣＭｏｔｏｒｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.Ｍａｇｎｅｔｉｃｓꎬ２００６ꎬ４２(１０):３３９８－３４００.[３]㊀ＪＤＥｄｅꎬＺＱＺｈｕꎬＤＨｏｗｅ.ＲｏｔｏｒＲｅｓｏｎａｎｃｅｓｏｆＨｉｇｈ￣ｓｐｅｅｄＰｅｒ￣ｍａｎｅｎｔ￣ｍａｇｎｅｔｂｒｕｓｈｌｅｓｓＭａｃｈｉｎｅｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.ｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２００２ꎬ３８(６):１５４２－１５４７.[４]㊀王继强.高速永磁电机的机械和电磁特性研究[Ｄ].沈阳:沈阳工业大学ꎬ２００７.[５]㊀王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究[Ｊ].沈阳工业大学学报ꎬ２００６ꎬ２８(３):２５８－２６４.８。