广东省东莞电机有限公司 523141
摘 要：高速永磁电机在航空航天、能源及精密制造等领域具有广阔的应用前景。所以，随着航空航天等精密制造行业在近几年的飞速发展，高速永磁电机的相关技术也得到了进一步的发展。因此，从电机转子和定子的设计方面对高速永磁电机的设计技术进行了阐述，分析高速永磁电机的设计及分析工作，希望能够提升永磁电机的工作效率，降低电机设备的能耗，从而取代传统效率低、能耗高的电机设备。
关键词：电机；高速；永磁电机；设计
0 引言
随着科学技术的发展，高速永磁电机在工业上的应用得到了一定程度的重视。高速永磁电机区别于普通电机，它的设计虽然和普通电机一样遵循基本电磁原理，然而其却具有普通电机所没有的优势，其不仅体积小而且转速快，不仅能节约成本和提高电机的工作效率，就需要解决高转速为其带来的一系列问题。高速电动机和发电机的转速通常在30000 r/min以上,甚至超过100000 r/min，定子齿和铁心中磁通的变化频率超过1kHz。高速高频电机的设计与普通低速低频的电机有很大的不同。 转子与轴承系统的动力学分析对高速电机的运行可靠性有着重要的意义。
1 高速永磁电机设计
当前高速永磁电机设计主要包括两方面的内容，具体如下：
1.1 电机转子设计
在高速永磁电机运行过程中，转子会持续高速地旋转。因而，在电机持续高速运转使用过程中，由于高速旋转所带来的强大离心力必然会要求转子具备较高的强度，而高速旋转摩擦也极易破坏电机转子的自身结构。因而，为了能够更好地保障高速永磁电机的正常使用，在确保转子处于所需的转动强度的同时，提升低损耗以及耐高温的特性，这必然要求更为合理地设计高速电机所需的材料以及电机结构。在高速永磁电机材料设计中，当前大范围使用的材料通常具备较高的矫顽力，这主要是由于具备高矫顽力的材料相应的温度系数相对较低，这样更有利于确保高速永磁电机转子所处的温度相对更为稳定一些。同时，高矫顽力的材料具备较高的温度适应能力，目前被大范围应用于温度较高的应用环境中。此外，矫顽力较高的材料通常抗压性以及抗扰强度相对较高， 所能够承受的离心力也会相对更高一些。在实际应用中需要注意的是，由于高矫顽力的材料抗张强度相对较低，这要求在进行结构设计时需使用特定的材料以起到保护的作用。
另外，在进行高速永磁电机结构设计时，当前使用范围最为广泛的结构分别为表贴式结构或者两级圆柱永磁结构，这样能够发挥保护电机转子材料的作用。
1.2 电机定子设计
与高速永磁电机转子有所差别，定子属于高速永磁电机的散热通道。因而，当前高速永磁电机大多数的损耗均是由于定子所产生的，而且转子所产生的损耗跟定子的结构以及所使用的材料有着紧密的联系。因而，如何设计高速电机定子的结构以及所使用的材料，是当前高速永磁电机设计研究的关键工作内容。一方面，在设计高速永磁电机定子结构时，当前主要使用的是环形绕组的结构。此种定子结构，首先要求绕组位于电机的轭部，以最大化地减少转子正常工作所需的长度，以提升转子的刚度。其次，由于此种定子结构内外槽相对较多，可以考虑利用为散热通道，以达到散热的作用。应关注的是，由于电子在高速使用中，此种结构所构造的齿槽极易增加转子的损耗。因而，为了减少该损耗，可以考虑增加气隙长度以更好地完成散热操作。此外，在当前所采取的定子结构设计中，厚度不超过0.2MM 的无取向硅钢片是目前使用范围最为广泛的。随着科技的持续进步，软磁复合材料受到的关注力也慢慢增加，应用范围越来越广。
2高速永磁电机分析技术综述
2.1电机损耗分析
在对高速永磁电机进行分析的技术中，电机损耗分析技术是较为热门的问题。一方面，在电机转动的过程中，定子会产生一定的铁耗。而就目前而言，很多学者都利用比损耗法进行铁耗的分析。具体来说，就是按照特定频率和磁密下的定子铁耗进行电机运行过程中定子铁耗的计算，并根据一定的经验系数进行计算结果的修正。另一方面，电机运转过程中会产生一定的铜耗，而目前用来进行铜耗分析的是解析模型效应等方法。再者，转子涡流损耗也是电机损耗分析的重点内容之一。而就现阶段来看，常用于进行转子涡流损耗分析的方法是解析法和有限元法。
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2.2电机转子强度分析
为了保证转子不遭到离心力的破坏，在进行转子设计时，要对转子强度进行分析。通常的情况下，进行结构简单的转子的强度分析时，可以精确的分析出永磁体和转子内部的应力。而对结构复杂的转子进行分析时，则要对解析结果进行简化，并借助FEM 法进行材料各项性质的分析。而在实际的分析过程中，则要进行转子的二维轴向截面分析，从而进行规模较小的转子强度的分析。另外，为了保证转子拥有良好的性能，还要对转子进行稳定性、临界转速和不平衡相应等动力学内容的分析。
2.3电机温升计算
电机的性能与电机的温升水平有着直接的关系，所以，电机温升计算是较为常见的电机分析技术。而目前常用的温升计算方法有三种，既LPTN 法、FEM 法和CFD 法。首先，LPTN 法是利用将电机温度相近的部分看成为一个节点，从而利用热阻模拟的方式进行节点间的传热研究。而利用该种方法进行电机温升计算，只有在节点分布的离散程度较高的情况下才更为精准。其次，FEM 法是利用二维或三维方式对电机进行建模剖析，并根据模型的各项损耗和传热条件进行电机的温升计算的。而利用该种方法需要依赖于传热条件，并且计算精度会受到传热条件的准确程度的严重影响。再者，CFD 法是用来进行冷却流体流量和传热系数等参数的计算的，而且由于该方法无需借助经验法进行系数的计算，所以计算结果较为精确。
3 问题解决策略
3.1 转子的选择
为了减小离心力对转子的直径以及长度的选择尤为重要。 高速电机的转子直径在选择时应该尽量保持越小越好，但是同样转子也要保证有能够容纳永磁体以及转轴的空间。并且转子直径也不能过小，而高速电机得转子一般设计为细长型，这是为了确保转子具有规格较高的韧度以及较高的临界转动速度。并且转子的轴向设计不能过长，尤其是那些使用磁悬浮轴承这类的高速永磁电机转子，而为了降低跨越临界转速时出现磁悬浮控制的难度增大的可能，则希望能在设计上增强转子的韧性，采用合适的转子长径比。所以高速永磁电机的转子的直径以及长度要进行精确分析后才可确定， 以减少问题的出现。
3.2 对永磁材料的选取
高速永磁电机的永磁体除了要有良好的磁性能力，也就是较强的适应力以及本身特性能够正常发挥。 还应该保持其工作温度的正常性以及对热方面要求的稳定性。 因为高速永磁电机的转子会高速以及高频运作，则会导致耗损较大并且散热能力差，所以也要重点考虑。
3.3 对永磁电机转子护套的设计
高速永磁电机一般会选择就像冶金粉末一样的永磁材料，因为它虽然可以承受一定程度的的压应力，但是却难以承受较大的拉应力，所以其抗拉强度正常情况下都要低于抗压强度。假如不采取一定的保护措施，那么永磁体将难以承受转子因为高速旋转所产生的较大离心力。保护永磁体的方法有：可以在永磁体的外面加上一层强度较高的不导磁得保护套，永磁体和护套之间可以采用过盈配合的方式，而护套的作用就是在转子处于不旋转的静态平衡时，可以使永磁体也能承受适量的压应力，来补偿因为高速旋转，离心力产生的同时所产生的拉应力。永磁体所承受的拉应力要在永磁材料允许的范围之内，而施加多大的预压力给永磁体，永磁体和护套之间用多大的过盈量比较合适，这些都需要依据永磁电机转子的结构以及转子运行速率的范围和材料的特性，来对转子强度进行分析，通过计算得知，采用不导磁得合金钢护套，优点极为显著，可以一定程度上频闭高频磁场，并且导热性也非常好，能够促进永磁体的散热。 然而也有缺点，其缺点是护套作为导电体，会产生损耗，与金属材质的护套相比，碳纤维材质的绑扎带厚度偏小，使用时将不会产生损耗。但是碳纤维的导热性不好，所以对于永磁电机转子的散热也是有着不小影响，并且它无法频闭高频磁场。从研究得知，在碳纤维材质绑扎的永磁体材料外加上一层导电性能好却不导磁的金属材料，能够对高频磁场起到很好的频闭作用，并且对减小损耗也十分有效。
4总结
在高速永磁电机的分析技术方面，人们对电机损耗、转子强度和温升计算的研究尚不够完善。因此，相信随着科学技术的发展，高速永磁电机的相关技术会得到进一步的完善，从而使其得到更为广泛的应用。
参考文献：
[1]徐建中.分布式供电和冷热电联产的前景.节能与环保,2002,3：12-14.
[2]刁正纲.微型燃气轮机走向商业化.燃气轮机技术,2000,13(3)：13-14.
[3]赵士杭.新概念的微型燃气轮机的发展.燃气轮机技术,2001,14(2)：8-16.
[4]靳智平.微型燃气轮机发电在我国的应用前景.电力学报,2004,19(2)：95-97.
[5]李冰，邓智全，严仰光. 高速异步电机设计的关键技术.微特电机,2002, 6：7-10.
论文作者:何新
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/8
标签：永磁论文; 转子论文; 电机论文; 定子论文; 护套论文; 较高论文; 材料论文; 《基层建设》2016年15期论文;