Mechanical design of high-speed permanent magnet rotor and bearing system

Abstract

High-speed electrical machines allow the reduction of the size of the electrical components compared to slower speed electrical machines with the same power. One design for the rotor of high-speed machines is to have a solid circular magnet at the center of the rotor compressed by a sleeve. The rotor has high inertial forces due to its high-speed. The compression of the magnet is achieved by shrink-fitting the sleeve. The shrink fit is calculated analytically and with the finite element method. The material choices are titanium alloy for sleeve and samarium cobalt magnets. The shrink fit is done by heating the sleeve to 250 °C and cooling the magnet with dry ice. After the shrink fit magnet is axially compressed to increase the interference.

The rotordynamics are studied to find the critical speeds. The methods used are the Campbell diagram and unbalance response which is analysed according to API 617 standard. There is a need for damping, as the rotor hits critical speed. The bearing solution is turbochargers ball bearing cartridges. The damping is achieved with squeeze film dampers between the outer race of bearing cartridges and bearing housing. The squeeze film damper is centered with O-rings. O-ring stiffness changes with frequency and the stiffness of O-rings is estimated using the finite element method under static conditions and previous studies about the dynamic stiffness of O-rings. The analysis of unbalance response shows that the rotor is sufficiently damped with squeeze film dampers.

Suurnopeussähkökoneiden elektroniikasta voidaan pienentää verrattuna vastaavan tehoiseen hitaaseen koneeseen. Eräs roottorityyppi on kestomagneettiroottori pyöreällä magneetilla, jossa magneetin ympärillä on holkki, joka puristaa magneettia kutistusliitoksella. Keskipakovoima aiheuttaa roottoriin rasituksia. Nämä rasitukset lasketaan analyyttisesti ja elementtimenetelmällä. Materiaaleiksi valittiin titaaniseos holkki ja samarium-koboltti-magneetti. Kutistusliitos tehdään lämmittämällä holkki 250 °C ja jäähdyttämällä magneetti kuivajäällä. Kutistusliitoksen lisäksi magneettia puristetaan kasaan, jolloin liitoksen ahdistus kasvaa.

Roottoridynamiikkaa tutkitaan perustuen Campbellin diagrammiin ja epätasapainovasteeseen. Epätasopainovaste analysoidaan API 617 standardin mukaan. Roottorin käyttöalueella on kriittinen nopeus, joten systeemin täytyy olla vaimennettu. Vaimennus on toteutettu öljykalvovaimentimella, joka on laakeripatruunan ulkokehän ja laakeripesän välissä. Laakeripatruuna on keskitetty O-renkaan avulla. O-renkaiden jäykkyys on arvioitu perustuen elementtimenetelmään ja aikaisempiin tutkimuksiin. Elementtimenetelmällä on tutkittu O-renkaiden jäykkyyttä staattisessa tilanteessa ja aikaisemmissa tutkimuksissa on tutkittu O-renkaiden dynaamista jäykkyyttä. Epätasapainovasteen analysoinnista selviää, että roottori on vaimennettu riittävän hyvin öljykalvovaimentimilla.