已把高速电机作为重点科研攻关项目，但与欧美国家相比，我国在高速电机的研究和应用方面还有很大的差距。本文针对高速电机磁悬浮转子系统，进行了动力学特性问题研究，为高速电机结构设计提供理论依据。本文首先进行了高速永磁电机转子的结构设计与强度分析。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，提出了种采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套的新型转子结构。永磁体与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转离心力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受定的压应力，从而保证永磁转子的安全运行。基于弹性力学有限元接触理论，建立了新型高速永磁转子应力计算模型，确定了护套和永磁体之间的过盈量，计算了永磁体和护套中的应力分布。其次，讨论了高速电机磁悬浮轴承转子系统的动力学建模方法和转子动力学的计算方法，对磁力轴承的电磁场和支承特性进行了分析，得到最优磁力支承刚度公式。利用有限元方法对高速发电机转子系统进行动力学计算和分析，得到了系统临界转速及其所对应的模态，讨论了支承刚度对临界转速的影响。本课题研究表明，当高速电机转子额定工作转速远离临界转速时，转子系统工作是安全的。本研究还为结构尺寸的调整磁力轴承支承刚度的优化控制参数的选择，提供了理论依据。关键词高速永磁电机，磁悬浮转子系统，强度分析，临界转速，有限元方法沈阳工程学院毕业设计高速永磁电机转子动态响应特性研究摘要第章绪论课题的来源及意义高速电机转子动力学国内外的研究现状高速电机转子结构与强度高速电机的轴承转子动力学本文研究的主要内容高速永磁电机转子强度分析临界转速的计算第二章高速永磁电机的关键技术分析高速永磁电机的特点与关键技术高速电机的结构高速永磁电机转子关键技术分析高速永磁电机的磁悬浮技术转子结构本章小结第三章高速永磁电机的转子强度分析计算转子应力的有限元法有限元法简介弹性力学求解方法有限元法基本求解过程转子有限元分析模型有限元模型边界条件和载荷转子有限元分析结果过盈配合的过盈量计算不同工作情况下护套及永磁体的受力护套和永磁体在静止状态下的应力分布护套和永磁体在旋转状态下的应力分布护套和永磁体在考虑温度下的应力分布本章小结第四章磁力轴承支承的高速永磁电机转子的动力学分析磁力轴承的支承特性分析磁力轴承的支承刚度分析沈阳工程学院毕业设计磁力轴承的磁场分析磁力轴承转子系统模型的简化运动方程的建立转子离散化和单元的运动方程系统运动方程的建立临界转速的求解支承刚度对临界转速的影响临界转速图本章小结结论参考文献致谢附录转子临界转速程序指令附录高速电机应力分析程序指令附录基于有限元法计算磁力轴承的刚度和临界转速附录高速永磁电机转子动态响应特性研究第章绪论课题的来源及意义二十世纪初以来电力行业流行观点是发电机组容量越大，则效率越高，单位投资越低，发电成本也越低。因此，电力工业发展方向是大机组大电厂大电网。近年来，我国电力工业发展迅速。年，全国总装机容量为，年发电量为，到年底，全国发电装机容量突破大关，全国共完成发电量。目前，我国电力工业居世界第二位。随着电力工业的发展，发电厂的装机容量在不断扩大，单机容量为的机组已成为我国电网的主力机型。从电网方面看，电压等级越来越高，输送距离越来越远，我国仅跨省连接的大电网就有个即华北电网东北电网华东电网华中电网南方电网和西北电网。在不远的将来，将形成以三峡电站为中心的全国性联合电网。尽管如此，由于我国幅员辽阔，电力发展及分布很不均匀，而经济发展又极不平衡，偏远地区用电困难，中心城市用电高峰期电力供应不足的情况仍很严重。集中发电远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产输送和分配的主要方式，正在为全世界以上的电力负荷供电。这种集中供电方式，对不同地区的用户共享电力资源，缓解局部地区电力紧张是十分有利。但这种模式并非没有缺点，如电力输送所需要的成本随着输电距离的增加而增大电能在输送过程中存在着损耗电力需求随时间季节的不断变化，造成电力生产与用户需求不协调等等。另外，集中式供电模式面临的更为严重的问题是旦供电中枢或电力网出现故障，所造成的经济损失将难以估量。而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力破坏，严重时将危害国家安全另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷变化，而为了短暂的峰荷建造发电厂花费巨大，且经济效益也非常低。采用分布式供电系统作为辅助手段，可以较好地解决这些问题。分布式发电年美国公共事业管理政策法公布后正式先在美国推广，然后被其它先进国家接受。分布式供电是指将发电系统以小规模分散方式布置在用户附近，可地输出电能热能或和冷能的系统。当今分布式供电方式主要是指用液体或气体燃料的内燃机微型燃气轮机和各种工程用的燃料电池。因其具有良好的环保性能，分布式供电电源与小机组已不是同概念。与集中式供电模式相比，分布式供电具有许多优点，如不需远距离输配电设备，输电损失显著减少可利用排气热量实现热电联产或热电冷三联产，提高能源利用率可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足，在电网崩溃和意外灾害情况下，可维持重要用户的供电分布式供电系统体积小，各电站相互，非常适合对农村牧区山区以及发展中地区提供电力，也可作为军用车载或舰载电源用户可根据时间季节变化自行控制供电系统的工作，缓解电力生产与用户需求的不协调等等。与集中供电电站相比，分布式供电具有以下优势没有或很低的输配电沈阳工程学院毕业设计损耗无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本适合多种热电比的变化，可使系统根据热或电的需求进行调节土建和安装成本低各电站相互，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电可靠性高可进行遥控和监测区域电力质量和性能非常适合对乡村牧区山区发展中区域及商业区和居民区提供电力大量减少了环保压力。纵观西方发达国家电力工业的发展过程，可以发现电力工业的发展经历了从分布式供电到集中式供电，又到分布和集中相结合的供电方式的演变。造成这种现象不仅仅是由于生活水平提高的需求，而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的。毋庸置疑，随着社会的发展，我国电力工业也将面临类似的问题。虽然，从目前电力工业的发展情况来看，集中式供电仍是我国电力工业发展的主要方向，但从长远看，只有合理地调整供电结构有效地将分布式供电和集中式供电相结合，才能构架更加安全稳定的电力系统。以化石能源为能源动力的分布式供电方式多种多样，随着微型燃机技术的不断完善，微型燃气轮发电机已成为目前最成熟最有商业竞争力的分布式发电设备，也是目前国际上分布式供电系统的主要发展方向，有可能成为世纪能源技术的主流。由微型燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机透平同轴，转速在之间。高速发电机发出高频交流电，经电力变换系统转换成直流电后，再转换为的交流电供用户使用。这样不仅简化了结构，使整台发电机组体积显著减小，重量减轻，而且也使系统的可靠性得到了提高。这种将微型燃气轮机与发电机组合为整体的设计理念，使微型燃气轮发电机获得强大的生命力。目前，开发研制微型燃气轮发电机的厂商主要集中在北美和欧洲。中国石油天然气蕴藏丰富，但是分布不均衡，西部储量大，而且人口居住分散，大电网不易覆盖，在这些地区建立分布式发电厂，就会节省投资，降低能源损耗，所以微型燃气轮发电系统在未来我国电力动力等国民经济领域和国家安全等方面具有重要作用和战略意义。研究微型燃气轮机驱动高速发电机技术具有十分重要的现实意义。高速电机的研究目前正在成为国际电工领域的研究热点之。由于转速高，电机的功率密度大，其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，可以有效地节约材料由于高速电机的转动惯量较小，所以动态响应较快高速电机可与原动机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音和提高传动系统的效率。特别是永磁电机由于其结构简单，力能密度高无励磁损耗和效率高等优点，最适合用于中小型高速发电机。高速电机由于具有转速高电机尺寸小功率密度大效率高等显著优点，在以下各方面具有广阔的应用前景。高速电动机在空调或冰箱的离心式压缩机储能飞轮纺织高速磨床等诸多场合得到广泛应用，而且随着科学技术的发展，特殊要求越来越多，它的应用会越来越广泛。在混合动力汽车航空船舶等领域具有良好的应用前景。随着汽车工业混合动力汽车的发展，体积小重量轻的高速发电机将会得到充分的重视，并广泛应用于欧美国家的军工领域。高速永磁电机转子动态响应特性研究在分布式发电系统中具有广阔的发展前景。由燃气轮机驱动的高速发电机体积小，具有较高的机动性，可用于医院宾馆及其它重要设施的备用电源，也可作为电源或小型电站，弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。永磁转子以其结构简单能量密度大等优点成为高速电机的首选。高速永磁电机是磁力轴承支承下的转子轴承系统，有许多强非线性激励源例如磁力轴承非线性支承特性，非线性不平衡磁拉力等的存在，这使得转子系统产生许多复杂的非线性动力学行为，这些强非线性激励源的存在，使得准确描述转子轴承系统动力学行为的微分方程必然是非线性的。对于高速永磁电机的非线性激励源，基于线性理论的设计往往不能精确反应转子系统的运行规律，按线性设计为安全的转子系统在工作转速下可能由于非线性因素导致失稳发生事故，也可能设计偏于安全而造成浪费。对于高速永磁电机迫切需要建立转子轴承系统的非线性动力学模型，深入揭示转子系统运行规律，研究并解决高速永磁电机转子系统存在的各种实际问题，这对高速永磁电机运行的稳定性安全性可靠性具有重要的现实意义和实际工程背景。本题目来源于辽宁省教育厅项目高速永磁电机转子动态响应特性研究。高速电机转子动力学国内外的研究现状高速电机转子结构与强度高速电机可以有多种结构形式，如感应电机永磁电机和磁阻电机等。电机在高