Mechanical stress and deformation in the rotors of a high-speed PMSM and IM = Mechanischer Stress und Verformung in den Rotoren einer Hochdrehzahl-PMSM und einer Hochdrehzahl-IM

Abstract

High-speed electric machines are gaining importance in the field of traction drives and aviation due to their high power density. The evaluation of the mechanical stress in the rotor is one crucial part in the design process for this type of machines. The mechanical stress cannot be measured directly. Accordingly, a validation of the calculated mechanical stress is difficult and normally not performed. Instead of the mechanical stress, the deformation at the rotor surface can be measured using a spin test machine with distance sensors. The deformation can then be used to validate the calculation results. In this paper, the mechanical load exerted on an IM rotor for a 60kW/200001min high-speed electric machine and an PMSM rotor for a 75kW/250001min high-speed electric machine is analysed in detail. The mechanical stress and the deformation are calculated and analysed using a FEM simulation model. Then, a spin test is performed on the two rotors. First, the burst speed is determined by operating two rotor samples above their defined test speed. Then, the deformation is measured at the rotor surface for different operating speeds and the defined test speed. The measurement and the simulation results are compared and discussed. It can be shown that the two designs do not exceed the maximum mechanical stress for the defined operating range. In the deformation measurement of the IM rotor, a plastic deformation up to εIM, pl= 8 μm and elastic deformation up to εIM, el= 22 μm can be seen. In regards to plastics, PMSM rotor expands up to εPMSM, pl= 5 μm. The maximum elastic deformation of the PMSM rotor is εPMSM, el= 40 μm. The comparison of the calculated and the measured elastic deformation shows good accordance for the two rotor types. Both models are capable of describing the deformation and the state of stress in the rotors. In burst tests, both rotors withstand rotational speeds far above the defined test speed. © 2021, The Author(s).

Im Bereich der elektrischen Fahrzeug- und Flugzeugantriebe gewinnen Hochdrehzahlmaschinen aufgrund ihrer hohen Energiedichte an Bedeutung. Im Dimensionierungsprozess spielt die Bewertung der mechanischen Spannung im Rotor eine entscheidende Rolle. Die Validierung der Berechnungsergebnisse stellt eine Herausforderung dar, da die mechanische Spannung nicht direkt gemessen werden kann. Anstelle der mechanischen Spannung, kann die Verformung an der Rotoroberfläche bei einem Schleudertest mittels Abstandssensoren gemessen werden. Die Verformungen können zur Validierung des Berechnungsmodells verwendet werden und somit einen Rückschluss auf die mechanische Spannung im Rotor der Maschine geben. In dieser Arbeit wird die mechanische Belastung in einer 60 kW/20000 1minm Hochdrehzahl-Induktionsmaschine (IM) und einer 75 kW/25000 1min Hochdrehzahl-permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) untersucht. Die mechanische Spannung und die Verformung werden mittels eines FEM-Simulationsmodells berechnet und analysiert. Mit zwei Prototypen werden Schleudertests durchgeführt und die Berstdrehzahl des PMSM-Rotors und des IM-Rotors bestimmt. Danach wird an zwei weiteren Prototypen die Verformung an der Rotoroberfläche für unterschiedliche Betriebsdrehzahlen und die definierten Schleuderdrehzahlen gemessen, bevor auch für diese beiden Rotoren die Berstdrehzahl bestimmt wird. Die Berechnungs- und Messergebnisse werden anschließend miteinander verglichen und diskutiert. Im vorgegeben Betriebsbereich liegen die berechneten mechanischen Spannungen unterhalb der vorgegebenen Materialwerte. Der IM-Rotor zeigt in der Messung eine plastische Verformung von bis zu εIM,pl=8μm und eine elastische Verformung von bis zu εIM,pl=22 μ m auf. Der PMSM-Rotor weitet sich plastisch bis zu εPMSM,pl=5 μm auf, die maximale elastische Verformung beträgt εPMSM,pl=40 μ m. Der Vergleich zwischen der gemessenen und berechneten elastischen Verformung zeigt eine gute Übereinstimmung. Beide Modelle sind in der Lage, die Verformung und die mechanische Belastung im Betriebsbereich zu beschreiben. In den Schleuderversuchen erreichen die Rotoren Berstdrehzahlen, die weit über der definierten Schleuderdrehzahl liegen.