高速永磁電機的綜合分析與設計

羅奇棟　陳丹妮

摘 要：隨著我國科學技術的不斷進步，高速永磁電動機也迎來了全新的發展。當前高速永磁電動機的應用范圍非常廣泛，涉及領域有航空航天、新能源應用、精密儀器制造等等。但是，在應用過程中，依然存在很多問題亟需解決，如電磁的干擾、機械的匹配和溫升的物理限制因素等。在此，本文將結合非晶合金的材料對其進行設計上的思考，利用多物理場的研究方法對其進行整體性的試驗，并詳細分析高速永磁電動機中關于轉子應受力的范圍和轉子系統臨界轉速對于軸承支撐剛度的要求以及高速非晶合金在永磁電機中的損耗分布等特征。筆者希望通過此次研究可以有效印證高速永磁電動機的設計理念，并且可以為將來的研究提供可靠的參考依據。

關鍵詞：告訴永磁電機;非晶合金;設計方法;多物理場

高速永磁電機具有體積小、功率高、密度大的特點。因此被廣泛應用于各個生產制造領域中。但是，高速永磁電機自身的轉速是影響其工作性能和工作效率的一大要素。在高速永磁電機旋轉的時候，會造成永磁電機內置的鐵心損耗。為有效解決這一問題，就必須要對內置鐵心進行材料上的代替與更換。在此，就以非晶合金材料對其進行相應的設計，以此來提高高速永磁電機的工作效率，降低電動機自身轉動的損耗，從而有效彌補高速永磁電機的缺陷。

一、多物理場理念的基礎設計思路

若想利用非晶合金材料對電機內置裝置進行升級與改造，必然會受到多物理場的影響和干擾。比如：電磁的干擾、機械的匹配以及溫升的物理作用等。所以，如果想對電機進行更加完美的升級與改造，必然需要考慮各種物理因素，并且實現其耦合迭代的作用。在此，可衍生出關于多物理場理念的基礎設計思路：第一，選取電機規格，考慮臨界轉速和材料強度。第二，結合基礎法理測試損耗量以及溫升反應，并對機械匹配進行研究，以此完成電機的框架設計。第三，利用有限元計算模型對其進行檢驗。

二、電機電磁設計需要考慮的因素

（一）非合金材料以及電機性能參數

通過對大量參考文獻的研讀以及對國內外高速永磁電機升級改造相關內容的分析，在此得出結論為：非晶合金材料的特點是脆、硬度高、薄。非晶合金材料的厚度僅僅為0.025毫米，在這一厚度范圍之內，可以有效控制電機高速運轉過程中對于鐵心的損耗。

（二）非晶合金的永磁電機極槽配合

非晶合金和平常的鈦合金相比較，其材料性質更加敏感，且對加工工藝的要求也更高。在加工過程中，工作人員稍有不慎就會導致非晶合金材料的損壞和局部的惡化。經過大量的數據分析之后得出：當永磁電機的規格和大小以及尺寸不出現較大變化時，槽的寬度會隨著電機槽數量的增加而不斷地縮小。當定子槽寬度縮小之后，便會導致整個加工作業流程擴大范圍，并且會對永磁電機的齒部造成巨大的損害。為有效防止這一問題的發生，需要操作人員在加工的過程中把握定子齒數的數量以及損耗程度，并且要選取齒寬較大的、槽數較少的結構進行相互配合。但是，少槽一般又是引起永磁電機損耗增加的第一原因，而且會使其產生巨大的熱能無法釋放，在熱量釋放不出的情況下，便會導致轉子的溫度急劇上升，甚至會使永磁電機出現退磁的情況。

三、高速內置式永磁轉子設計思考

（一）永磁轉子受力

在高速永磁電動機運轉的過程中，轉子的表面會出現極強的離心力，如果將該離心力應用在轉子隔磁橋之上，就會導致隔磁橋出現扭曲變形，并且會讓隔磁橋承受巨大的力。這一狀況最終所導致的結果就是：極有可能引起隔磁橋的功能故障甚至是完全壞死，從而導致高速永磁電動機無法正常工作以至于完全癱瘓失靈。

（二）強度有限元分析

經過前期對于相關數據的分析與研究，以及對國內外參考文獻的研讀和思考，在此我們得出以下結論：對于永磁電機的整體設計，需要從轉子方向入手，并且要對轉子的每一極永磁體進行相應的強化與鞏固，從而使其成為一個兩段式的結構體現。通過這樣的方法，第一可以有效強化永磁轉子的機械韌性與強度，并且還能提高永磁電機的工作效率。第二可以大大降低永磁電機在高速轉動過程中因為轉矩輸出的巨大動能而造成的電機消磁和漏磁現象，以保障永磁電機的正常工作。

四、轉子的臨界轉速

在永磁電機轉動的過程中，電機中的轉子各微段質心無法實現全部正確處于回轉軸上，所以在轉子轉動的時候，會發生橫向干擾的情況，甚至在特殊情況下轉動過程中還會出現電機系統的劇烈抖動現象，以上情況在此均統稱為是“臨界轉速”。為了有效確保永磁電機的正常運轉，并且可以正面回避電機系統因為劇烈抖動而產生的損害，操作人員在對其進行操作的過程中要注意控制轉子工作的速度，盡量避免使其接近臨界轉速的點。因為轉子的形狀非常復雜。所以，對于臨界轉速的計算可以通過近似數以及約等于的方法來進行。在此，對于精度的要求并不是很高，操作人員便可利用瑞利法對其臨界轉速進行一階近似值的計算。此次研究過程中的永磁電機轉子系統屬于兩端滾動的軸承支撐結構，永磁軸承的動態特征和具體參數是印證軸承剛度的有力證據。此外，電機的大小和規格變化也是直接影響軸承和轉子系統臨界轉速的一個重點。

五、高速永磁電機溫度場

（一）物理建模

對電機中的銅線絕緣漆以及浸漆狀態進行過詳細的分析之后，便可把槽中的兩層銅線作為單獨的導熱線進行利用，另外，可以將其他的絕緣材料當做是一個較為龐大的導熱體。在此基礎上，高速永磁電機的轉子便可以進行高速度的旋轉，同時還可以通過轉子的旋轉帶動起空氣的流動，促使其氣隙更加流暢，此時定轉子也可以利用對流的趨勢實現熱能的交換。為了再次對其計算過程進行簡化，操作人員還可以利用引導氣隙的方式進行導熱系數的計算，并且可以對氣隙進行高效的控制與處理，以實現對旋轉中的轉子進行靜止狀態的處理。

（二）熱源溫度

非晶合金材料與傳統的鈦合金材料和其他材料想對比具有明顯的優勢。特別是對于熱平衡的實現能力，以及降低電機損耗的能力是其他材料所不能代替的。因為非晶合金和高速旋轉的個屬性，促使電損耗的分布發生了變化，使其特征不同于常規模式下的電機。因此，電機的損害就會在電機內部產生巨大的熱量，并且可以將進行有效的交換與傳導，從而始終保持熱能的平衡。

六、結束語

此次研究重點分析了非晶合金在高速永磁電動機內置裝置升級與改造的方法，提出了如何改善永磁體抗溫升的方法以及抗強度的策略。但是，源于當前制作工藝對于非晶合金材料的制作水平，需要通過長期的優化與完善才可以實現該研究計劃的全面落實與執行。在轉子的強度方面，雖然很多軟件和系統都可以對其進行臨界轉速的計算，但是因為轉子在轉動過程中會受到多物理場的影響，所以還需要相關研究人員對其進行物理方面的干預，使其計算結果更為準確，設計理念更為成熟。

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