高速永磁電動機設計的關鍵問題

高曉峰?楊歡?劉丹

摘要：高速永磁電機已經進入到工業領域中，并作出了極大的貢獻，如精密制造、能源開發與航天航空等，應用范圍還在不斷擴大。本文首先闡述高速永磁電機的特點，而后針對設計環節的關鍵問題，展開研究，具體分析材料選用、定子鐵耗、轉子設計與軸承設計等方面的關鍵事項，以此來了解高速永磁電動機，確保其能夠在各種不同的作業場景下得到有效應用。

關鍵詞：高速永磁電動機;設計;關鍵問題

高速電機的優越之處主要體現在并不需要依靠過于復雜的變速裝置，能夠直接連接原動機或者高速負載裝置，可靠性良好，運行效率高，體積相對比較小且具有比較高的功率密度，運行成本并不高，在壓縮機、鼓風機以及高速機床等多種領域中都有良好的應用前景。現探討設計高速永磁電機時必須重視的關鍵問題。

1高速永磁電機的技術特點

高速永磁電機與普通的高速電機在功率密度方面有明顯的差異，前者具有極大的功率密度，定子上的散熱面積很小，相對地損耗密度更高，轉子需要面對渦流損耗、風磨損耗造成的大幅度溫升以及持續化的高速轉動形成的離心力，所以設計這種電機時，需要重視定轉子的結構與構成材料的選擇。同時電機必須具有良好穩定的散熱功能。由于這種電機常常需要面對高頻率運轉的工作場景，所以其電機損耗實際分布情況與損耗特性與普通電機不同。其受到溫升影響的同時，還會因此而出現失磁的問題，需要精準地控制轉子溫升。普通電機軸承無法在高速電機中發揮作用，主要是受到摩擦發熱現象與離心力的影響，因此要結合實際的技術條件與工作場景為永磁電機選擇合適的軸承。轉子在高速電機系統中必須承受熱應力與離心力，因此所用的永磁體具有的抗拉強度很低，設計時應重視轉子強度，其使用的支承系統相對復雜化，進行高轉速運行時，轉子會在共振與不平衡作用下，形成大幅度振動，情況嚴重時，轉子還會產生變形的問題，降低電機設備的安全性，維修現場操作人員的安全，所以要通過動力學理論來解決轉子設計問題。

2選取材料

2.1選擇鐵心材料

高速永磁電機往往要連續保持極高的工作頻率，因此定子鐵心的損耗量比較大，且其影響電機設備的發熱性能與運行效率，在一定成本條件下，優先選擇損耗較小且厚度偏薄的硅鋼片材料;如果成本方面的設計要求較為嚴苛，則可以選擇復合型的軟磁材料，這一材料經由粉末冶金技術制造，主要組成部分為金屬粉末狀顆粒，其表面具有絕緣性，這種材料不僅具備穩定的各相同性磁性能，還可通過壓制工藝將其制備成形狀復雜的部件。材料的物理結構與渦流損耗直接相關，盡管損耗比較小，但是相比普通的硅鋼片，其磁滯損耗過大，在高頻運行環境中有更好的使用效果。生產期間，這種鐵心材料依靠模具完成壓制處理工作，而硅鋼片需要采取切片疊壓工藝，進行大規模生產活動時，前者更利于降低成本。

2.2選擇永磁材料

基于控制高速電機設備的整體尺寸的設計目標，往往會選擇運用高性能型永磁材料，包括燒結的Smco和NdFeB。而在高速永磁電機設備之中，其風耗與摩擦損耗同樣非常高，在運行條件的制約下，轉子難以有效散熱，因此永磁體需要面對高溫作業環境。溫度給永磁材料造成的影響集中體現在其性能方面，進行永磁材料的選擇時，必須要注重溫度穩定性，做好溫升計算的準備工作。

3定子鐵耗

普通型永磁電機與高速型永磁電機在電子結構方面具有一致性，基本沒有差異。受到運行頻率的影響，定子鐵耗遠大于銅耗，普通型永磁電機主要通過交流異步電機來正確計算鐵耗。計算時需要掌握的信息包括鐵磁材料的軛部鐵耗與齒部鐵耗，軛部與齒部體積以及經驗系數，這種方法相對粗糙，只能計算低頻率運行的永磁電機的鐵耗，但是高速永磁電機具有較高的工作頻率，難以得到高頻運行條件下的硅鋼片的損耗曲線，氣隙磁密可能并不是按照正弦分布，因此計算結果具有較大的誤差。

鐵磁材料的主要損耗類型分別是異常渦流損耗、經典渦流損耗與磁滯損耗，運用有限元時步法計算的方法，獲得一定電角度周期中對應的磁密波形，重點在于確定損耗系數，硅鋼片內部的磁密具有交變的特點，當方向一定時，磁密大小會依照正弦規律發生變化的。將鐵耗系數導出后，在交變磁化情況下完成計算鐵耗的工作。實際上，電機定子具有極其復雜的磁化狀況，部分為橢圓形或者圓形的旋轉磁化，還有的屬于交變磁化，磁密的實際方向與大小都形成了變化。鐵耗的實際計算系數在旋轉磁化與交變磁化兩種條件下是存在區別的，考慮到缺少測試鐵耗處于旋轉磁化情況的具體結果的裝置，可對旋轉磁化進行分解，從不同的方向上計算交變磁化，使來自不同方向上的多種磁密變化被簡化。

4轉子設計

4.1轉子尺寸

轉子在保持高速旋轉的動作時，必須對形成的離心力進行承受，且離心力比較大，因此必須嚴格控制轉子直徑尺寸，雖然應當設置偏小的直徑，但是也不可過小，如果電機為細長型，轉子直徑過小會導致強度達不到標準，轉子尺寸不僅與轉矩相關，還和諧振頻率有一定的關系。進行諧振頻率的設置時，應當考慮到電機運行頻率，可對高速軸承部件的尺寸進行借鑒。

4.2極數

選定電機極對數時應當綜合考慮多種不同的因素，包括成本、轉矩、功率與轉速等。極數少與極數多的電機各有優點，同時也各有劣勢，進行設計與選擇時必須綜合對比兩種電機的情況，極數偏少的電機具有很高的鐵心使用率，容易實現制造與加工，但是每極磁通都很大;基于避免軛部磁路出現過度飽和的情況，需要確保軛部厚度數值足夠大，極數少的電機與極數大的電機情況安全相反。考慮到鐵耗方面的問題，若電機的極數小，整體運行頻率不高，對比極數高的電機，整體尺寸更大，因此不能認定小極數電機形成鐵耗必然也小，還應結合鐵心磁密的實際大小與轉速進行選擇。不考慮鐵耗的前提下，如果極數比較大，功率器件需要進行更多次的開關，增加開關損耗，一般大極數型電機具有的轉矩密度也很大。

4.3轉子拓撲結構分析

電機氣隙磁場的大小與波形是由轉子所用的結構決定的，以往的永磁電機制造與設計工作中已經形成了不少具有典型特點的轉子結構，其在實踐應用過程中得到有效檢驗，因此可直接對這些轉子結構進行選擇，當永磁體的體積相同時，表面貼裝型結構往往能夠獲取出力最大值，進行高速旋轉動作的轉子應當保護永磁體，以此來實現對脫落現象的預防，可通過碳纖維進行捆扎，或者使用不銹鋼材質的保護套;而使用內嵌型結構時，不需針對永磁體實施保護措施，但是加工轉子的過程較為復雜;表面貼裝式結構是高速永磁電機中使用的比較多的轉子結構。

5軸承設計

軸承在高速電機設備中有著極強的重要性，其會影響到電機設備的性能，磁懸浮軸承、氣體潤滑/液體潤滑軸承、角接觸球/深溝球軸承等能夠被應用到電機的高速工作場景中。角接觸球與深溝球軸承都是滾動型軸承，應用時能夠表現出極強的可靠性，成本也很低，所以這兩類軸承的使用范圍很廣;工程陶瓷材料在近幾年的材料市場上以極快的速度發展，優點包括彈性模量相對偏大、膨脹系數比較低、密度低、不具備磁性，同時兼具耐腐蝕性、耐高溫與耐磨等優秀特性。陶瓷材料被用到軸承制造中，制造出的電機軸承可以更好地在高精度與高速場合中發揮作用。在流體潤滑理論的基礎上開發出氣體潤滑與液體潤滑軸承，其主要借助氣體或者液體的彈性墊來提供支撐作用，對比滾動式軸承，其可用時間更長，效率更高且不會產生摩擦作用，能夠滿足更高轉速的場景使用需求，缺點是成本過高。

磁懸浮式軸承依靠磁場力來對物質進行支撐，不僅不依靠摩擦作用，同時也不需要進行潤滑，更不會受到使用條件上的限制，可以通過動態調節的方式，來完成對平衡、剛度與阻尼的調節。控制系統、功率系統、位置傳感器、繞組是主動型軸承的關鍵組成部分，通過5軸控制體系來維持轉子的正常高速旋轉狀態，具體包括軸向軸承與徑向軸承。相比其他幾種軸承，磁懸浮軸承擁有更加復雜的控制體系，整體體積很大，需要有傳感器、電力系統的支持，制造與應用成本極高。

6結論

高速永磁電機與普通型永磁電機之間有諸多差異，具體體現在軸承選用、轉子結構、鐵耗分析以及可用材料等方面。在實際進行高速永磁電機的設計工作時，應當充分把握設計要求，以電機未來需要面對的工作場景為準，設計合理的機械結構，著重分析熱場與電磁場等問題，確保設計出先進、性能卓越且具有經濟優勢的電機設備，并不斷引入新技術，強化這種電機的應用可行性。

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