淺談高速永磁電機設計與分析技術

朱 桐

（蘇州大學 機電學院 機械工程系，蘇州 215021）

高速永磁電機是當前精密制造行業中的重要裝備，隨著近幾年科學技術的迅猛發展它也得到了越來越多的應用。相比于普通電機，雖然設計原理一樣，但是，高速永磁電機擁有更多的優勢，如轉速更快、體積更小、工作效率更高、成本更低。高速永磁電機的高轉速卻造成一些問題，目前其設計工作的重點在于定子與轉子的設計，而其分析技術工作的重點在于電機損耗、轉子強度和溫升計算。

1 高速永磁電機設計技術

1.1 電機磁懸浮技術

傳統電機中軸承采用的都是機械軸承，而機械軸承具有摩擦過大、功率損耗較大的缺陷。高速永磁電機不再使用機械軸承，而改用一種非接觸類型的軸承。運用這種非接觸類型的軸承，電機的使用年限得到延長，作為一種目前仍然處于試用階段的新型技術，磁懸浮技術會逐步應用到高速電機領域。

1.2 電機定子的設計

簡單地說，定子在電機中的作用就是給電機散熱，設計電機時，選擇合適的定子也是一項重要工作。目前，定子大多采用環形繞組式結構，這種結構能夠大大減少電機軸向的需求長度，提升轉子的韌度。同時，在這種定子結構中設計多個齒槽，這些齒槽能夠起到一定的散熱作用，確保定子能夠持續處于正常溫度。需要注意的是，電機高速運轉時，齒槽會使轉子的耗損增加。為了使這種損耗較少，通常情況下，這種電機都會增加氣隙的長度進行散熱。設計材料時，一般會采用常見的0.2mm厚度以內的硅鋼片，以減少鐵芯上的磁滯損耗。

1.3 電機轉子的設計

根據永磁電機原理可知，在電磁效應的作用下，轉子會進行高速旋轉，其間速度很快，會產生一個巨大的離心力，因此轉子的強度要求很高。同時，運轉過程中溫度很高，電機中的轉子特別容易遭到破壞，這樣會嚴重影響電機的運行。所以，設計要確保電機轉子的強度，保證轉子材料能夠耐高溫、損耗低。為了達成這個目標，要對轉子的選材和結構進行設計，通常選擇適應性較強的永磁材料。原因是永磁材料的溫度系數較小，同時永磁材料提供電機運行的主磁路，轉子鐵芯中諧波不是很大，這樣轉子的溫度不會太高，可以維持在正常的范圍內。除此之外，這種材料還具有特別優秀的適應能力。

2 分析技術的研究

2.1 電機耗損分析

在運行的過程中，電機的定子會出現一定損耗。人們通常運用比損耗法對其進行分析。這種方法的原理就是根據定量的頻率大小與定子鐵耗進行定子損耗的數值計算，計算之后再對結果進行修正。在運行過程中，還會有銅耗產生，現在一般用解析模型法分析銅耗。此外，渦流損耗在電機損耗中占比較大，現在通常用有限元法和解析法進行分析。

2.2 電機轉子強度分析

在運行的過程中，電機產生的離心力會使轉子遭到一定損壞，為了避免出現這個問題，要對轉子強度進行分析。通常，電機的轉子強度分析出來以后，人們就能準確得出永磁體和轉子內部的應力。如果轉子對象比較復雜，分析時要把結果進行簡化，然后采用FEM法把轉子材料的所有性質分析出來。轉子的穩定性也要進行分析，以保證電機的轉子可以保持非常好的性能。

2.3 電機溫升計算

對于電機來說，溫度對其性能的影響是比較大的。溫度的大小波動會直接影響電機，所以要對電機的溫升進行計算和分析。溫度會嚴重影響電機的性能，例如，電機的永磁體工作區域受溫度影響較大，電機的溫度升高，嚴重時就會造成永磁體失磁。同時對于電機來說，其功率密度很高，沒有太多的地方能夠進行散熱，所以可以通過散熱設計避免溫度升高。電機散熱設計的一個先決條件就是是否能夠精準地計算出電機的溫升，目前，計算方法主要有三種：FEM、CFD以及LPTN。

3 問題解決策略

3.1 轉子的選擇

為了使電機運行過程中產生的離心力減少，要合理選擇轉子長度和直徑。通常情況下，轉子直徑越小越好，但也要確保有位置可以放置轉軸和永磁體，因此轉子直徑不能設計得太小。為了保證電機的韌度足夠強，轉動的速度能夠達到要求，轉子往往都設計成細長型。對于轉子來說，軸向不可以設計得太長，高速永磁電動機不像傳統電機使用機械軸承，而采用非接觸類型的軸承，為了降低懸浮控制的難度，設計會適當調整轉子長徑比，增強電機轉子的韌性。只有完成上述設計內容，才能保證電機的正常運行。

3.2 對永磁材料的選取

對于電機中的永磁體來說，最重要的就是必須具備非常好的磁性能力，簡單地說就是具備很強的適應能力，這樣可以確保永磁體的性能最佳。另外，要使永磁體的工作溫度一直維持正常，原因是在電機運行的過程中，高速旋轉的轉子會有大量損耗，而高速永磁電機的散熱性不是特別好，因此要重點考慮永磁材料的選擇。

3.3 對永磁電機轉子護套的設計

通常情況下，高速永磁電機都會選擇類似冶金粉末的永磁材料，這種材料的一大特點就是能夠承受一定強度的壓應力，但是缺陷就是沒有辦法承受太大的拉應力，因此其抗拉強度都要低于抗壓強度。如果不對其進行保護，那么永磁體就沒有辦法承受高速旋轉造成的離心力。人們可以在永磁體外面添加一層強度較高的無法導磁的保護套，對永磁體進行保護，永磁體與保護套之間可以使用過盈配合的方式。保護套的作用就是在電機轉子處在不旋轉的靜態平衡時，能夠使永磁體承受一定的壓應力，補償轉子高速旋轉時伴隨離心力而產生的拉應力。

永磁體承受的拉應力應該控制在永磁材料允許的范圍內。對于施加給永磁體的預壓力是多大，永磁體與護套間的過盈量用多少更為合適，人們都要根據永磁電機轉子結構、轉子運行速率的范圍和材料特性，對電機轉子強度進行分析，再通過公式進行計算。電機在使用不導磁的合金鋼護套后，相比之前優勢更加明顯，能夠輕易將高頻磁場屏蔽掉，同時這種材料導熱性好，有助于電機散熱。但是，這種材料同樣具有缺陷，它具有導電性，因此會產生一定損耗。碳纖維材質的綁扎帶厚度較小，在使用過程中不產生損耗，可是其導熱性不好，因此會嚴重影響轉子散熱，同時其沒有辦法屏蔽高頻磁場。因此，人們可以在碳纖維材質綁扎的永磁體材料外面加上一層金屬材料，這樣可以有效對高頻磁場進行屏蔽，同時可以有效減少損耗。

4 結語

與具有常速的普通電機相比，高速電機的轉速和繞組電流頻率均比較高，其單位體積定子的鐵耗和銅耗顯著增加，轉子的高頻渦流損耗和表面空氣摩擦損耗皆有較大提升。因此，本文對高速永磁電機的設計和分析技術進行研究，并提出改進策略，旨在提升其應用水平。隨著高速永磁電機設計和分析技術的優化，其發展前景必將更加廣闊。