高速永磁電機設(shè)計與分析技術(shù)綜述

唐慶軍

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

高速永磁電機設(shè)計與分析技術(shù)綜述

唐慶軍

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

從電機轉(zhuǎn)子設(shè)計、電機定子設(shè)計兩個方面入手對高速永磁電機設(shè)計技術(shù)進行分析，又從電機損耗、轉(zhuǎn)子強度、溫度計算這三個方面入手對高速永磁電機的分析技術(shù)進行綜述，為高速永磁電機的相關(guān)設(shè)計工作提供有益的參考借鑒。

高速永磁電機；電機設(shè)計；分析技術(shù)

1 對高速永磁電機設(shè)計的分析

1.1 對電機轉(zhuǎn)子設(shè)計的分析

正是因為在高速永磁電機的正常運轉(zhuǎn)中，其電機轉(zhuǎn)子也會隨之進行高速的旋轉(zhuǎn)，所以，電機轉(zhuǎn)子不僅會產(chǎn)生較大的離心力，還會因為不斷摩擦產(chǎn)生高溫對電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行破壞。因此，要想進一步確保高速永磁電機能夠進行安全運轉(zhuǎn)，須確保電機的轉(zhuǎn)子能夠擁有最為基本的強度，并且還要擁有耐高溫、低損耗等特性。而要想達到這一目標，就必須從電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計這兩個方面入手。在電機轉(zhuǎn)子材料的設(shè)計上，應(yīng)選擇具有較高矯頑力的永磁材料，這是因為這類材料本身就具有較小的溫度系數(shù)，所以能夠使電機轉(zhuǎn)子維持在一個穩(wěn)定的溫度之上，其能夠適應(yīng)較高的溫度，可應(yīng)用范圍極為廣泛。同時，具有較高矯頑力的永磁材料往往還具有較好的抗壓性能與抗撓強度，能夠承受住高速永磁電機在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力。而在電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，則可以利用以下兩種結(jié)構(gòu):表貼式結(jié)構(gòu)與兩極圓柱永磁結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)在使用過程中，對電機轉(zhuǎn)子材料能夠進行很好的保護。

1.2 對電機定子設(shè)計的分析

電機定子是高速永磁電機最為重要的散熱通道，也正因如此，當(dāng)高速永磁電機發(fā)生損耗時，其往往也是出現(xiàn)在電機定子之上，此外，電機轉(zhuǎn)子的損耗與電機定子的結(jié)構(gòu)、材料都有著十分重要的聯(lián)系。所以，要想確保高速永磁電機的安全穩(wěn)定運行，就必須做好電機定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計。在電機定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，我們可以選擇環(huán)形繞組這種結(jié)構(gòu)方式。這種結(jié)構(gòu)方式最大的優(yōu)勢在于該種定子結(jié)構(gòu)模式下，其繞組往往處于電機的軛部，因此，大大縮短了對電機轉(zhuǎn)子長度的需求，并且電機轉(zhuǎn)子的剛度也有所提高。尤其環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)還具備很多內(nèi)外槽，而這些內(nèi)外槽恰恰能夠輔助電機定子進行散熱且能夠成為電機又一散熱渠道。但在這種結(jié)構(gòu)下需要注意的是，此種齒槽勢必使電機轉(zhuǎn)子的損耗進一步加大，所以，為了能夠更好的降低損耗，應(yīng)增加高速永磁電機的氣隙長度。而在電機定子的材料設(shè)計上，則應(yīng)該選用厚度小于0.2mm的無取向硅鋼片。

2 對高速永磁電機分析技術(shù)的綜述

2.1 對電機損耗的分析

對電機損耗的分析技術(shù)，是目前高速永磁電機分析技術(shù)中較為熱門的話題。這是因為在高速永磁電機的運行過程中，電機定子勢必會產(chǎn)生一定的鐵耗或者銅耗，因此，目前許多學(xué)者都加強了對定子鐵耗與定子銅耗分析技術(shù)的研究。在定子鐵耗的分析上，主要采取比損耗法，也就說按照特定頻率和磁密下的定子鐵耗進行高速永磁電機運行過程中定子鐵耗的計算，并且結(jié)合一定的經(jīng)驗系數(shù)，對所得計算結(jié)果進行修正。而在定子銅耗的分析上，則主要采取解析模型效應(yīng)方法進行定子銅耗計算。此外，在高速永磁電機損耗分析中，對電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的分析也是重中之重，往往采用解析法與有限元法，通過這兩種方法對電機轉(zhuǎn)子渦流損耗進行分析。

2.2 對電機轉(zhuǎn)子強度的分析

在高速永磁電機的實際運行過程中，由于電機轉(zhuǎn)子會受到來自離心力的巨大破壞，因此，為了進一步確保電機轉(zhuǎn)子的安全穩(wěn)定運行，就必須在電機轉(zhuǎn)子設(shè)計的過程中，做好對電機轉(zhuǎn)子強度的分析工作。通常情況下，我們在分析結(jié)構(gòu)簡單的電機轉(zhuǎn)子強度時，往往可以將其轉(zhuǎn)子內(nèi)部的應(yīng)力以及永磁體內(nèi)部的應(yīng)力進行準確的分析，得出計算結(jié)果。在分析結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電機轉(zhuǎn)子強度時，則需要先對計算結(jié)果進行簡化解析，并利用FEM法對電機各項材料的性質(zhì)分別進行分析。而在分析實際運轉(zhuǎn)中的電機轉(zhuǎn)子強度時，則應(yīng)該做好對轉(zhuǎn)子二維軸向截面的分析工作，從而實現(xiàn)較小規(guī)模的電機轉(zhuǎn)子強度分析。與此同時，為了確保在高速永磁電機運行過程中，電機轉(zhuǎn)子能夠保持良好的工作性能，還要對電機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性、不平衡相應(yīng)等動力學(xué)內(nèi)容展開詳細的分析。

2.3 對電機溫升計算的分析

在實際運行過程中，永磁體工作點會受到溫度的較大影響，過高的溫度還會造成永磁體失磁問題。所以，對于高速永磁電機而言，其性能與溫升水平有著密不可分的聯(lián)系。因此，如何準確的計算溫升，則儼然已經(jīng)成為永磁電機散熱設(shè)計的關(guān)鍵所在。目前在對高速永磁電機的溫升計算中，常見的溫升計算方法主要有三種：

第一，LPTN法。LPTN法的應(yīng)用實質(zhì)就是將高速永磁電機中溫度較為相近的部分合成一個節(jié)點，并用熱阻模擬節(jié)點之間的傳熱。對于固體熱傳導(dǎo)所對應(yīng)的熱阻，可根據(jù)固體材料的導(dǎo)熱率和幾何尺寸予以計算。而對于流固交界面處的對流傳熱熱阻，則要根據(jù)流傳熱系數(shù)與交界面的實際面積予以計算。在實際計算中，可充分借助電路實現(xiàn)，將高速永磁電機各個部分的損耗，作為熱源加在相應(yīng)的節(jié)點之上，并將這些熱源看作是電流源，熱阻看作是電阻，溫度看作是電壓，基于此采用電網(wǎng)絡(luò)求解技術(shù)對高速永磁電機各個部分的溫升進行計算。一般來講，根據(jù)不同的離散程度可將高速永磁電機劃分為幾個、幾十個，甚至是上百個節(jié)點。其中，離散程度越高，計算越準確，在熱阻的計算工作上也就更為復(fù)雜。此外，因為流傳熱系數(shù)與流體流速有著密不可分的關(guān)系，所以，在對熱網(wǎng)絡(luò)進行計算前，就必須建立高速永磁電機的冷卻流體網(wǎng)絡(luò)，利用經(jīng)驗公式、曲線以及表格，確定流傳熱系數(shù)。

第二，F(xiàn)EM法。FEM法是利用二維或者是三維的方式，對高速永磁電機實體進行建模剖分，以此加載各項損耗的密度與傳熱條件。所以，求解所獲得的溫升分布與LPTN相比更加詳細。但是，由于FEM法在結(jié)果計算中也是依據(jù)經(jīng)驗方法進行計算，所以與LPTN面臨著相同的問題，就是計算結(jié)果的準確性，嚴重依賴于傳熱條件的準確程度。因此，在實際的溫升計算中，多使用FEM法作為LPTN模型的修正與細化。

第三，CFD法。與LPTN法、FEM法相比，CFD法在對流傳熱系數(shù)的確認上無須借助經(jīng)驗方法，只需借助流固耦合和共軛傳熱建模技術(shù)，就可以對高速永磁電機的內(nèi)部、外部流體情況，溫升分布情況，進行準確的求解，因此CFD法計算出的結(jié)果準確性更高。但同時，在CFD法的應(yīng)用過程中，對剖分技術(shù)、計算機資源等要求較高，計算過程較為耗時，因此在一定程度上也阻礙了CFD法的廣泛應(yīng)用與推廣。所以，近些年來諸多學(xué)者就CFD法展開了詳細的分析，將LPTN法與CFD法相結(jié)合，或者是將FEM法與CFD法相結(jié)合，充分利用各種計算方法的優(yōu)勢，既降低了溫升的實際計算時長，也進一步提高了溫升的計算精度。尤其是近年來，隨著我國計算機網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，軟硬件技術(shù)也隨之得到了相應(yīng)的提高，人們對高速永磁電機功率與效率提出了更高的要求，所以CFD法在高速永磁電機傳熱方面的應(yīng)用勢必會更加廣泛，值得廣大電機相關(guān)工作者加以深入研究與探討。

3 結(jié)語

眾所周知，正是因為電機定轉(zhuǎn)子材料與結(jié)構(gòu)是高速永磁電機設(shè)計的主要內(nèi)容，所以，要想做好對高速永磁電機的設(shè)計與制造，就必須要從對電機轉(zhuǎn)子與定子的設(shè)計入手，就高速永磁電機的設(shè)計技術(shù)進行分析，并且從電機損耗、轉(zhuǎn)子強度、溫升計算這三個角度入手，對高速永磁電機的分析技術(shù)展開綜述。也只有如此，才能夠更為清楚地對高速永磁電機進行剖析，從而為電機設(shè)計工作者在今后高速永磁電機的相關(guān)設(shè)計技術(shù)上提供全新的思路，以期能夠不斷的完善高速永磁電機的相關(guān)技術(shù)，使高速永磁電機得到更為廣泛的應(yīng)用。

[1] 董劍寧，黃允凱，金龍，等.高速永磁電機設(shè)計與分析技術(shù)綜述[J].中國電機工程學(xué)報，2014，34(27):4640-4653.

[2] 雎黎.高速永磁電機設(shè)計與分析技術(shù)綜述[J].科技風(fēng)，2015，(05):30.

[3] 張道洋，李琳琳，溫家寶.高速永磁電機設(shè)計與分析技術(shù)研究[J].通訊世界，2016，(01):255-256.

[4] 郭思源.永磁電機磁場解析方法及其應(yīng)用研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2014.

Summary of design and analysis technique of high-speed permanent magnet motor

TANG Qing-jun

(Jiamusi Electric Machinery Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

The design technology of high-speed permanent magnet motor is analyzed from the aspects of motor rotor design and stator design, and the analysis technique of high-speed permanent magnet motor is reviewed from three aspects of motor loss, rotor strength and temperature calculation, which provides a useful reference for the design of high-speed permanent magnet motor.

High-speed permanent magnet motor; Electric machine design; Analysis technique

2016-09-25

唐慶軍(1982-)，男，碩士，助理工程師。

TM351

B

1674-8646(2016)22-0046-02