高速永磁電機設計技術探討

薛源 郭俊濤 楊艷紅 趙國華

摘要：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。

關鍵詞：永磁電機;設計;分析技術

引言

高速電機通常指轉速超過10000r/min的電機，其具有體積小、功率密度大、動態響應快和系統傳動效率高等特點，在高速機床、空氣循環制冷系統、儲能飛輪等領域具有廣闊的應用前景，是國際電工領域的研究熱點之一。

在現有的各類電機中，成功實現高速化的主要有感應電機、內轉子永磁電機、開關磁阻電機以及外轉子永磁電機和爪極電機等電機類型。其中，高速永磁電機（highspeedpermanentmagnetmotor，HSPMM）由于其控制特性好、效率高、功率密度大等優點，在高速領域的應用日益廣泛。高速永磁電機由于其轉速較高，存在著一系列特殊的問題，需要進行深入研究。例如，高速電機中磁通交變頻率很高，在電機繞組、定子鐵心中產生較大的鐵耗和銅損，同時，也導致電機發熱嚴重;電機轉子隨轉軸高速旋轉，不僅會產生較大的離心力對電機轉子結構進行破壞，還會因為不斷摩擦產生高溫;軸承支承轉子旋轉，由于轉速高，且受離心力、摩擦發熱等的影響，普通電機軸承不能直接用于高速電機;高速電機在高速運轉時，不可避免地會產生一定的噪音，噪音會降低應用場合的舒適度等。

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軸承結構

高速電機的安全穩定運行與軸承可靠性密不可分。目前，在高速電機中應用的軸承主要有滾珠軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承。在高速旋轉的情況下，軸承會發生振動、軸向位置竄動、溫度過高等問題。

2.1軸承振動

為了減小軸承振動，三星電機株式會社在軸承支架上設置有流體槽，利用電機旋轉過程中產生的氣動壓力來減輕軸旋轉時的振動;佛山市威靈洗滌電機制造有限公司在已有的間隔設置的第一軸承和第二軸承之間額外設置承載和吸收輸出軸運轉時的沖擊力和回聲的第三軸承，從而達到減振和降噪的效果。

2.2軸承軸向竄動

為了防止軸承發生軸向位置竄動，戴森技術有限公司在兩個軸承之間設置具有一定長度和彈性系數的彈簧，以防止軸承打滑或力過載;廣東威靈電機制造有限公司提出設置于轉子的磁環安裝部與軸承安裝部之間的軸肩，便于對軸承施加軸向預緊力。

2.3軸承散熱

為了提高軸承散熱，Vorwerk公司提出了軸承容納部分由環形外部區域和兩個徑向面向內的腹板組成，通過兩個腹板和支承點之間的兩個空氣通道區域形成環形外部區域，該區域形成冷卻空氣的流道。同時，萊克電氣股份有限公司在轉子軸兩端設置磁懸浮軸承，采用磁力作用將轉子懸浮起來，該電機不存在機械磨損，其散熱性能也好。

3問題解決策略

3.1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。

3.2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。

3.3降低噪音

高速電機在高速運轉時，不可避免地會產生一定的噪音，這些噪聲主要包括機械噪聲、空氣動力噪聲。

3.3.1機械噪聲

產生機械噪聲的部件主要有葉輪、框架和風道等。在葉輪的改進方面，主要包括設置導風片等引導氣流的裝置、對葉輪形狀的改進，例如，將葉片分布成漸開線式結構，將齒形結構運用在定葉輪上，使用動葉輪等。在框架方面，戴森也對馬達固定架進行了改進，固定架采用減小噪聲的聚合物材料或聲學遲鈍材料制成，且在固定架上設置噪聲衰減裝置。對于外罩，萊克電氣將用于安裝電機的電機內罩懸掛固定在電機外罩中，而且電機內罩與電機外罩之間完全隔離，從而阻斷了電機振動的傳遞路徑，使得共振現象消失。

3.3.2空氣動力噪聲

空氣動力噪聲包括風扇、旋轉的轉子和氣流沿風路流動時形成的氣流噪聲。改進風扇的結構和合理設計風路系統都可以降低空氣動力噪聲。例如，相互錯開定、轉子徑向通風道，減少折彎以縮短進風風道長度等。

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。

參考文獻

[1]沈建新，郝鶴，袁承.高速永磁無刷電機轉子護套周向開槽的有限元分析[J].中國電機工程學報，2012，32（36）：53-60.

[2]阿莫泰克有限公司.非晶質定子及利用該非晶質定子的電動馬達.中國發明專利，CN103329399A，2013-09-25.

[3]孔小光，王風翔，刑君強.高速永磁電機的損耗計算以及溫度場分析[J].電工技術學報，2012，27（9）：166-173.

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