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由電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理能夠知道，當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速是成正比的，即通過增加轉(zhuǎn)速可提高電機(jī)的輸出功率。高速電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，如高速磨床和其它加工機(jī)床設(shè)備、高速飛輪形式的儲(chǔ)能系統(tǒng)、天然氣管道中采用的離心壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)以及分析設(shè)備中的真空泵等。近年來，應(yīng)用于分布式供電系統(tǒng)的微型燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的技術(shù)越來越受到關(guān)注。小型燃?xì)廨啓C(jī)由于不需要驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)低速電機(jī)必須的減速器，不但能夠提高電機(jī)工作效率，而且還提高了運(yùn)行的可靠性。永磁電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力能密度高、無勵(lì)磁損耗和效率高等優(yōu)點(diǎn)，最適合用于高速電機(jī)。
轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)是高速水磁電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，瑞典斯德哥爾摩皇家技術(shù)學(xué)院對(duì)高速永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行了較深入的研究，制造了一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速為100000 r/m 額定功率為20KW的高速電機(jī)。該電機(jī)轉(zhuǎn)子采用非導(dǎo)磁鋼對(duì)永磁體進(jìn)行了保護(hù)，文獻(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了簡(jiǎn)單的應(yīng)力計(jì)算。文獻(xiàn)中，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子上永磁體表面采用碳纖維綁扎，國(guó)內(nèi)對(duì)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)研究還處于起步階段。文獻(xiàn)探討了高速異步電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)面臨的問題，文獻(xiàn)分析了高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。本研究著重論述利用有限元法進(jìn)行轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析的實(shí)用技術(shù)。
高速永磁電機(jī)采用燒結(jié)錢鐵硼永磁材料，燒結(jié)錢鐵硼是一種類似于粉末冶金的永磁材料，能承受較大的壓應(yīng)力1000 MPa，但這種材料卻不能承受大的拉應(yīng)力，其抗拉強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度的十分之一。如果材料沒有一定的保護(hù)措施，永磁體無法承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的巨大離心力。
目前，保護(hù)永磁體的措施有兩種：一種保護(hù)方法是用采用碳纖維對(duì)永磁體進(jìn)行綁扎，另外一種是在永磁體外面加一高強(qiáng)度非導(dǎo)磁保護(hù)套。與常規(guī)的采用非導(dǎo)磁鋼保護(hù)套相比，碳纖維綁扎帶的厚度要小，而且不產(chǎn)生高頻渦流損耗。然而，碳纖維是熱的不良導(dǎo)體，不利于永磁轉(zhuǎn)子的散熱。因此，本研究采用外加保護(hù)套的高速電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖所示。
轉(zhuǎn)子永磁體和護(hù)套的主要尺寸和材料屬性如表所示，永磁體外徑，護(hù)套內(nèi)徑，它們之間的過盈量為0.26mm，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行強(qiáng)度分析的主要目的，是通過轉(zhuǎn)子靜止和轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析，校驗(yàn)永磁體和護(hù)套是否能夠承受所允許的應(yīng)力，在保證高速電機(jī)的安全運(yùn)行的前提下，由于永磁體能夠承受很大的壓應(yīng)力而不能承受較大的拉應(yīng)力，永磁體和保護(hù)套之間可以采用大過盈配合，使永磁體靜態(tài)承受一定的預(yù)壓應(yīng)力。
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