轉子強度的案例
汽輪機轉子疲勞強度理論研究現狀與展望
汽輪機轉子疲勞強度理論研究現狀與展望
荊建平，孟光
(上海交通大學國家振動、沖擊和噪聲重點實驗室，上海200030)
摘要：對目前汽輪機轉子疲勞強度理論的研究現狀進行了綜述，分析了汽輪機轉子疲勞強度理論的局限性和存在
的問題，并對當前的損傷力學理論進行了簡要的介紹，闡述了將損傷力學理論應用于轉子疲勞強度分析的優越性。
最后，就汽輪機轉子疲勞強度的損傷力學研究進行了展望。
汽輪機轉子疲勞強度理論研究現狀與展望.pdf
展開 Prius2004電機轉子沖片強度評估 ￥1
https://mp.weixin.qq.com/s/xCvmodbLpmMBYlltObLk8w
新能源汽車驅動電機多為永磁同步電機，其轉子沖片為多片硅鋼疊壓而成，沖片中開槽用來放置磁鋼及減重設計。高速永磁同步電機，定轉子氣隙很小，0.5~1.0mm左右，尤其在高速運行時，在磁鋼離心力的作用下，轉子沖片易產生變形，在隔磁橋等結構薄弱位置，易出現變形過大，導致定轉子產生摩擦，致使電機損壞等故障。故對永磁同步電機在高速離心力作用下的轉子沖片強度進行CAE評估顯得尤為必要。
以Prius2004款電機沖片模型為例，進行高速離心力下的轉子沖片強度及剛度性能評估。
展開 哈工大 夏松波 教授
S XK Jk-dO
研究方向
*f7XU J dz:H:S ` e 旋轉機械故障診斷與轉子強度、振動方面:y;Wbj4O
論著成果 T!Y/^ Z9dD
k^} XN d;C&k 現任全國振動工程學會理事。近十年來，榮獲國家及部級獎12項，榮譽和獎勵證書7項，出版著作4部，發表論文60余篇。在故障診斷方面為國內最早開展設備診斷技術的主要倡導者之一。早在83年，首次將模糊數學應用于汽輪機發電機組診斷，87年就開展故障診斷專家系統的研究。領導課題組開發出了應用于實際的3MD 系列故障診斷裝置20多套。94年被國家列入新技術推廣項目，目前已經取得了4000余萬元的經濟效益。在轉子振動與強度方面，如整圈長葉片、復雜轉子計算及轉子自動平衡技術等領域做出了創新性研究成果，組織并編寫了兩部《轉子動力學》專著。為我國轉子動力學學會主要創始人之一。多年來深入現場，解決機組故障難題，如93年協助工廠解決艦用汽輪機組振 動超標，挽回了數百萬的損失；98年協助某研究所解決了導彈發動機多次斷軸重大事故，為國防建設做出了重要貢獻。在八五攻關中，被國家授予先進個人稱號。在國際上多次擔任學術會議組委工作，98年應邀去英國兩所著名大學講學和交流。迄今已培養了21名碩士生和20名博士生。
展開 燃料電池系統的空壓機有什么需求？
?? 對軸承的氣膜和彈性支撐結構進行耦合求解和優化，得到軸承最佳的剛度和阻尼，盡可能的降低轉子的次同步振動。
冷卻系統
萬物都有正反面，凡事都是雙刃劍。離心式空壓機由于轉速高給自身帶來諸多好處的同時，也給自己惹來了不少麻煩。由于轉速高，定子繞組電流頻率高，電機的各項損耗與常速電機相比都有較大的增加，這會使電機的散熱非常困難。如果散熱不好，會縮短電機繞組壽命，使永磁體發生不可逆退磁，也會對空氣軸承的長期穩定運轉產生影響。
設計一個良好的冷卻系統，是空壓機長期穩定運行的關鍵。在燃料電池用離心式空壓機中，一般有水冷和空氣冷卻兩路冷卻。水冷卻路主要對電機的定子以及控制器進行冷卻，空氣冷卻路主要對空氣軸承以及轉子進行冷卻。
綜上，離心式空壓機在效率、噪音、體積、無油、功率密度等方面具有良好的綜合效果，被認為是最有前途的空氣機類型之一。
離心式空壓機在電機轉子強度、轉子系統動力學、高速軸承、冷卻系統與溫升設計以及控制器的研制等方面存在特殊關鍵問題，其設計是一個集計算流體力學、電磁場、轉子強度、轉子動力學、溫度場等多物理場多次迭代的綜合設計過程。
展開 
【12月5-8日 北京】新能源汽車電機仿真分析專題
一、8個實例模型貼近工程實戰操作：
案例01：水冷電機額定工況熱仿真分析
案例02：水冷電機峰值工況熱仿真分析
案例03：峰值扭矩工況下轉軸強度分析
案例04：1.2倍最高轉速工況下轉子沖片強度分析
案例05：溫度載荷、最高轉速、峰值扭矩工況下轉子與轉軸最小過盈量分析計算
案例06：溫度載荷、峰值扭矩工況下定子與殼體最大過盈量強度分析
案例07：定子總成模態分析計算
案例08：電機電磁力振動噪聲仿真分析計算
二、與同行差異化、效果保證：
1、實戰：專注CAE仿真計算12年，有自己的超算中心，積累了大量的項目工程案例
2、原理：帶領學員訓練實操過程，注重步驟和設置原理
3、系統：7600+學員反饋、工程實例更新與精選，形成系統的版權知識體系
4、響應：自主師資與合伙人模式，可直接對接客戶問題，即時做出響應
5、效果：所有學員提供高配筆記本、工程模型、電子資料、操作軟件、操作指導與反饋
三、課程收益
通過本課程，學員能夠學習到新能源汽車電機四大模塊的仿真分析方法，涵蓋了電機絕大部分仿真方面的工作，包括：1，電機流體熱仿真分析方法，包括：模型前處理及技巧、求解計算及監視求解過程、結果后處理等方面；2，電機重點零部件強度分析方法，包括：轉子沖片強度分析、轉軸和轉子連接強度分析、定子和殼體連接強度分析、過盈連接最大最小過盈量確定等；3，電機重點零部件模態分析方法；4，電機電磁振動噪聲仿真分析方法，包括：永磁同步電機典型噪聲及發生原理、電磁力提取、振動噪聲分析方法等。本次課程以介紹分析方法為主，每種方法配以實際算例，以便學員能夠更好的掌握。
展開 航空燃氣輪機總體結構設計與動力學分析（三）
混合式顧名思義為鼓式與盤式的混合結構，混合式具有鼓式轉子的較好抗彎剛性又兼有盤式的較好轉子強度的優點。
電機設計及有限元分析
4） 結構強度、疲勞仿真。利用結構分析軟件研究電機電器在機械載荷和熱載荷作用下的強度、剛度、振動和疲勞壽命，可提高設備的可靠性。
5） 噪聲分析。模擬結構振動噪聲和電磁噪聲。
電磁仿真
穩態磁場分析: 激勵不隨時間變化,如永磁體的磁場、穩恒電流產生的磁場等
諧性磁場分析: 激勵按正余弦規律變化,如感應式電機
瞬態磁場分析: 激勵隨時間無規律變化
混合勵磁車用發電機
三維電磁場有限元網格
發電機永磁勵磁的磁密分布
轉子磁感應強度矢量左視圖
轉子磁感應強度矢量右視圖
定子磁感應強度矢量值
定子磁場強度標量值
定子磁場強度矢量值
轉子磁場強度矢量
通過溫度場計算,得到電機整機或部件的溫度分布、熱量的獲取和損失、熱梯度、熱流密度等.
展開 電機設計及有限元分析（仿真多圖）
4） 結構強度、疲勞仿真。利用結構分析軟件研究電機電器在機械載荷和熱載荷作用下的強度、剛度、振動和疲勞壽命，可提高設備的可靠性。
5） 噪聲分析。模擬結構振動噪聲和電磁噪聲。
電磁仿真
穩態磁場分析: 激勵不隨時間變化,如永磁體的磁場、穩恒電流產生的磁場等
諧性磁場分析: 激勵按正余弦規律變化,如感應式電機
瞬態磁場分析: 激勵隨時間無規律變化
混合勵磁車用發電機
三維電磁場有限元網格
發電機永磁勵磁的磁密分布
轉子磁感應強度矢量左視圖
轉子磁感應強度矢量右視圖
定子磁感應強度矢量值
定子磁場強度標量值
定子磁場強度矢量值
轉子磁場強度矢量
通過溫度場計算,得到電機整機或部件的溫度分布、熱量的獲取和損失、熱梯度、熱流密度等.
展開 行業應用方案 | 基于Motor-CAD的電機快速多學科設計與優化
電機效率與成本優化
電機連續轉矩密度/功率密度優化
電機散熱結構優化
電機轉子減重與結構強度優化
電機轉矩脈動與齒槽轉矩優化
電機峰值扭矩/峰值功率優化
基于Motor-CAD的電機快速多學科設計與優化
Ansys Motor-CAD是目前全球范圍內唯一包含電磁、熱、機械的專業電機多學科設計工具，它同時兼顧了計算速度與精度，可在最短時間內完成電機初始方案設計，結合強大的Ansys optiSLang優化工具，使得電機工程師在設計初期對電磁、熱、機械性能進行快速綜合優化的夢想成為可能。
基于ABAQUS之轉子軸承模擬及轉子振動仿真
針對轉子結構，其在軸承支承作用下旋轉工作。無論是轉子靜強度仿真，還是轉子動力學仿真，其關鍵都在于軸承的有效模擬。一般的，對轉子進行相關仿真時，處理軸承的方法有兩種：一是畫出軸承的實體模型，將其作為轉子相互作用結構參與整個轉子模型的仿真；另一種是對軸承的參數如支承剛度和阻尼等進行等效計算，并將這些參數作為轉子仿真分析的輸入條件。顯然，前者是十分繁瑣的，且對軸承的模型需經一番研究方可合理建出。而后者則是普遍被采用的方法，在等效參數較合理時可獲得較好的結果。
在ABAQUS中，其實也可以采用第二種方法進行軸承的模擬，通過換算并給定合理軸承剛度和阻尼，便可有效模擬軸承對轉子的作用。如下面一個單盤轉子：
其兩端軸頸由兩個軸承支承，經模擬軸承作用，并進行轉子的振動仿真。可得結果如下：（詳細計算操作詳細過程詳見教程：http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10220，若有疑問，歡迎咨詢）
一階彎曲
二階軸盤彎曲耦合
傘形振動
展開 車用永磁同步電機的電磁噪聲分析與抑制
對轉子輔助槽的張角θ和深度h采用雙變量變化的方法進行研究，表3為其不同組合下的齒槽轉矩峰峰值。由表3可知，在( θ,h）=( 150。，1 mm）、（ 140。，1.2 mm）和（130° , 1.6 mm）處齒槽轉矩較小。考慮輔助槽的深度和張角對硅鋼片工藝、壽命和轉子強度的影響，選擇（θ,h)=( 140。，1.2 mm）o至此確定了輔助槽的3個尺寸，齒槽轉矩峰峰值由原始的1.67 N m下降為0.67 N m,幅值下降了 59.9% .
2.1.2 轉子分段斜極
如圖7所示，本文采用轉子單邊分段斜極結構,每極永磁體沿軸向分成等長、多段，且多段
永
磁體沿圓周方向依次錯開一定角度。
當磁極分段數為K’時,轉子分段斜極后徑向電磁力波的平均值凡為feq
式中:fv、v\ωv和?v分別為徑向電磁力波的幅值、階次、電角頻率和相位角;θ為機械角度Ksk為轉子分段的斜極系數，表達式為
式中:LCM為最小公倍數函數;ξ為齒諧波階數;Ns為定子槽數;P為極對數。
由式(3) ~式(5)可以看出，轉子分段斜極對電磁力波的影響與轉子分段數和斜極移位角關系
密切。
2.1.3 轉子開輔助槽加分段斜極
為進一步優化電磁力波，在轉子開輔助槽的基礎上,針對一階齒諧波對轉子進行分段斜極。圖8為兩種方法共同作用下的氣隙磁密的波形,分段斜極的氣隙磁密為每段氣隙磁密的矢量疊加后的平均值。表4為轉子開輔助槽加分段斜極方法下的氣隙磁密和齒槽轉矩數據。
由圖8和表4可知，轉子分段斜極可以進一步優化氣隙磁密和齒槽轉矩，氣隙磁密THD值由｝降為13.97%?14.62%，齒槽轉矩由0.67 N-m下降為0.1?0.19 N m。
展開 
電機轉子結構自由形狀優化分析
Stress響應，對象為轉子，工況為離心力工況。
Step4：創建控制條件
進入optimization panel，點擊 dconstraints，創建控制條件。
選擇 Stress 響應，設置允許上限為300MPa。
Step5：創建目標函數
進入optimization panel，點擊 objective，創建目標函數
選擇Volume響應，設置最小化(min)
最終的優化分析如下圖所示：
四、分析結果
形狀優化結果
應力結果：滿足設計要求。
體積變化情況
由該結果可知，重量可以減輕20%。
五、結論：
利用optistruct可以實現對電機轉子進行輕量化設計。
在保證了強度的前提下，重量可以減輕20%。
自由形狀優化方法可以有效的指導電機轉子的設計工作，實現輕量化設計。
展開 特斯拉電機又一項先進技術解密了，馬斯克又厲害了！
（圖自：twitter）
先來說說銅芯轉子的制造，雖然專利技術早就揭秘，但看看還是很有必要的。
應用在特斯拉（Tesla）Model S的感應電動機銅芯轉子是一項創新的技術，即專利US20130069476。這項專利2014年和Tesla的其他專利一并公開，從此可以一窺其中的巧妙之處。
Tesla選擇的感應電機是更可靠（沒有退磁風險）、低成本（永磁材料成本占到同步電機材料成本的70%）、高效率的解決方案。至于Tesla是怎么將感應電機做到更加高效，就要看銅芯轉子的技術了。
銅芯轉子的優點與制造
感應電動機的主流結構叫做鼠籠電機，名字的來源是由于它的轉子結構好比就是一個鼠籠。在工業感應電機的生產制造中，這樣的鼠籠通常都是用鋁鑄造而成，鋁有著較好的電導率和較低的熔點（660.4℃）成本也有優勢，因而鑄鋁轉子成為了感應電機轉子的主流。
但是使用鑄鋁轉子的感應電機效率有限，難以更進一步，如果使用電導率更高的銅來制作鼠籠，電機的效率將會顯著提升！
但是問題來了，既然銅有百般好，為什么卻不用它？原因是銅的熔點高（1083℃）、銅芯轉子難以鑄造，鑄銅端環氣泡過多、無法進入間隙等問題，6英寸的銅芯轉子無法通過鑄造方案制造出來。
那么轉而使用焊接呢？實際上，通過焊接手段制造銅芯轉子是主流的技術手段，它的制造過程是這樣的：先將銅條插在轉子槽中，再在兩側焊上端環（端環通常使用離心鑄造法制造，離心鑄造的工藝可以排出其中的雜質和氣泡），如下圖：
但制造銅芯轉子的焊接工藝需要采用感應釬焊，成本較高。且由于電機轉子的工作條件，對焊接點的強度要求比較大。如果焊接點出現損壞，輕則影響整個電機的性能，重則造成轉子損毀。
那么Tesla Motors是怎么做的呢？
展開 基于整車工況的電動汽車動力總成系統效率優化設計方法
如果需要高效區間在低速高矩段，即需要將銅耗設計得較低，根據銅耗理論計算公式I2R 可知需要更低的繞組電阻值，或者提高轉子磁場來減小繞組電流，具體方法如下：
1）采用集中繞組設計，縮短電機繞組端部長度，電機繞組電阻R 更小。
2）采用扁線繞組方案，或者其他提高槽滿率的工藝，使得繞組銅截面積更大，電機繞組電阻R 更小。
3）采用更大的定子槽設計，能夠放置更多的導體數，電機定子繞組電阻R 更小。
4）對于永磁電機，適當提高永磁體牌號，或者增加極弧系數，都可以使轉子磁場增加，定子繞組需要的電流I 減小。
如果需要高效區間在高速低矩段，即需要將鐵耗設計得較低，根據鐵耗理論計算公式P=KB2f2可知需要更低的損耗系數、磁通密度和頻率，具體方法如下：
1）采用扁線繞組方案，或者其他提高槽滿率的工藝，使得相同繞組銅截面積需要的定子槽更小，定子磁通密度B 可以減小。
2）對于永磁電機適當降低永磁體牌號，或減小極弧系數，都可以使轉子磁場強度降低，轉子磁通密度B 更小。
3）采用更低極對數的極槽配合，使得頻率f 更小。
4）采用更薄的沖片或者損耗系數更小的沖片牌號，使得K更小。
3.基于整車NEDC 工況效率最優的電機電磁方案優化設計
根據前面的整車要求，結合電機效率高效區間的分布及平移方法，我們提出了兩種電機設計方案，電機參數要求見表4。通過仿真分析得到兩個方案的電機效率，分別如圖6、圖7 所示。
展開 2025 電機技術突破全景：從超大型到微米級，永磁轉子藏玄機
</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">1、永磁體布局：結構基石</strong></p><p>轉子的核心在于永磁體的安裝方式，這直接決定了電機的基本電磁特性和機械強度。主要存在三種基本形式：</p><p>1）. 表面凸出式：永磁體直接粘貼在轉子鐵芯圓周表面上，結構相對簡單，氣隙磁場波形較好。但永磁體完全暴露在離心力下，是高速運行的主要瓶頸，必須依賴高強度保護措施（如護套）固定。</p><p>2）. 表面嵌入式：永磁體嵌裝在轉子鐵芯表面的槽中，磁極表面較為平整。相較于凸出式，鐵芯為永磁體提供了一定的側面支撐，提升了抗離心力的能力，同時允許一定的凸極率設計，有利于弱磁擴速。</p><p>3）. 內埋式（內置式）：這是新能源汽車驅動電機的絕對主流形式。永磁體完全嵌入轉子鐵芯內部預開的槽中。鐵芯為永磁體提供了天然的、強大的機械保護，使其能承受極高的離心力，是實現高速運行的首選。</p><p>其最大優勢在于設計的靈活性：可設計多種磁障形狀（如V形、一形、雙V形等）形成高凸極率，顯著提升磁阻轉矩分量，實現高功率密度和寬恒功率調速范圍（弱磁能力強）。</p><p>多層永磁體組合設計還能優化氣隙磁場波形，降低轉矩脈動。當然，其結構更復雜，制造工藝要求高，且需精細管理漏磁（特別是隔磁橋飽和問題）。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">2、高速強度挑戰與應對策略</strong></p><p>高性能燒結釹鐵硼永磁材料雖然磁性能卓越，但其抗拉強度遠低于抗壓強度，高速旋轉時巨大的離心力是轉子設計面臨的首要威脅。</p><p>1）.
展開 