高速永磁電機設計與分析技術綜述

王猛

摘要：高速永磁電機在航空航天、能源及精密制造等領域具有廣闊的應用前景。該文首先介紹了現有文獻中的高速永磁電機定轉子結構及其所使用的材料;然后從定子鐵耗、銅耗、轉子渦流損耗與風摩損耗等方面，分別總結歸納了電機中各項損耗及其計算方法;

關鍵詞：高速永磁電機設計;分析;技術研究

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。

一、高速永磁電機設計技術

1.電機磁懸浮技術。高速電機區別于普通電機，不能采用以往的機械軸承，需要的是采用如磁懸浮列車般的非接觸類型的軸承。有著諸如，轉速可以適當調高、摩擦的功耗也會隨之減少、并且不用潤滑以及壽命較長等優點，磁懸浮技術做為一種還處于試用階段的高新技術，也將逐步進入高速電機這一研究領域。

2.電機定子的設計。電機的定子就相當于電機的散熱器，定子的材料和結構

的選擇也是電機設計研究的重要組成部分。首先從結構設計來看，當前最常采用的定子結構形式是環形繞組。這種結構使得轉子需求長度縮短，從而使得轉子的韌度也有所提升。并且這種結構因為設計了較多的齒槽，就如同散熱器一樣，可以保持定子處于較為正常的溫度。但仍然需特別注意的是，電機在高速運轉時，齒槽也會增加對轉子的耗損。因此為了減少這種耗損，此結構的電機一般都會通過增加氣隙的長度來達到散熱的目的。在材料的設計方面上，當前最常采用的是在0.2mm厚度以內的硅鋼片。

3.電機轉子的設計。高速永磁電機運行時，轉子會通過電磁效應產生高速旋轉。在工作的過程中，轉子會產生極大的離心力，所以轉子一定要有足夠的強度，并且摩擦會產生高溫，這也極其容易破壞轉子的結構。因此電機的穩定運行，不僅要增強轉子強度，還要確保材料有低耗損以及耐高溫的性質。而要實現這些目標，需要在轉子的材料以及設計結構上下功夫。在材料的設計方面上，最常使用的是具有較強適應性的永磁材料。這種材料的選擇，考慮到的是永磁材料本身溫度系數較小，能夠使轉子保持在一個正常穩定的溫度。并且它對溫度的適應性也比較強，所以當對溫度要求較高時，可以選擇。永磁材料也可以承受離心力。

二、對高速永磁電機分析技術的綜述

1.對電機損耗的分析。對電機損耗的分析技術，是目前高速永磁電機分析技術中較為熱門的話題。這是因為在高速永磁電機的運行過程中，電機定子勢必會產生一定的鐵耗或者銅耗，因此，目前許多學者都加強了對定子鐵耗與定子銅耗分析技術的研究。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，并且結合一定的經驗系數，對所得計算結果進行修正。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子渦流損耗進行分析。

2.對電機轉子強度的分析。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子的安全穩定運行，就必須在電機轉子設計的過程中，做好對電機轉子強度的分析工作。通常情況下，我們在分析結構簡單的電機轉子強度時，往往可以將其轉子內部的應力以及永磁體內部的應力進行準確的分析，得出計算結果。在分析結構復雜的電機轉子強度時，則需要先對計算結果進行簡化解析，并利用FEM法對電機各項材料的性質分別進行分析。而在分析實際運轉中的電機轉子強度時，則應該做好對轉子二維軸向截面的分析工作，從而實現較小規模的電機轉子強度分析。與此同時，為了確保在高速永磁電機運行過程中，電機轉子能夠保持良好的工作性能，還要對電機轉子的臨界轉速、穩定性、不平衡相應等動力學內容展開詳細的分析。

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系。因此，如何準確的計算溫升，則儼然已經成為永磁電機散熱設計的關鍵所在。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法的應用實質就是將高速永磁電機中溫度較為相近的部分合成一個節點，并用熱阻模擬節點之間的傳熱。對于固體熱傳導所對應的熱阻，可根據固體材料的導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，則要根據流傳熱系數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，將高速永磁電機各個部分的損耗，作為熱源加在相應的節點之上，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，基于此采用電網絡求解技術對高速永磁電機各個部分的溫升進行計算。一般來講，根據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雜。此外，因為流傳熱系數與流體流速有著密不可分的關系，所以，在對熱網絡進行計算前，就必須建立高速永磁電機的冷卻流體網絡，利用經驗公式、曲線以及表格，確定流傳熱系數。第二，FEM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法在結果計算中也是依據經驗方法進行計算，所以與LPTN面臨著相同的問題，就是計算結果的準確性，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法在對流傳熱系數的確認上無須借助經驗方法，只需借助流固耦合和共軛傳熱建模技術，就可以對高速永磁電機的內部、外部流體情況，溫升分布情況，進行準確的求解，因此CFD法計算出的結果準確性更高。但同時，在CFD法的應用過程中，對剖分技術、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法的廣泛應用與推廣。所以，近些年來諸多學者就CFD法展開了詳細的分析，將LPTN法與CFD法相結合，或者是將FEM法與CFD法相結合，充分利用各種計算方法的優勢，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，隨著我國計算機網絡信息技術的快速發展，軟硬件技術也隨之得到了相應的提高，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用勢必會更加廣泛，值得廣大電機相關工作者加以深入研究與探討。

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，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。

參考文獻

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（作者單位：丹佛斯（天津）有限公司）