高速永磁电机设计与分析技术研究

510670 日立电梯电机（广州）有限公司 广东 广州|叶志常



高速永磁电机设计与分析技术研究

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高速永磁电机在使用过程中与传统电机相比，具有体积小、功率密度高、运行成本低、可靠性高，不需要凭借维护困难、运行复杂的变速装置，能够直接和原动机或高速负荷连接等优势。因此在精密制造、航空航天、能源等领域具备长远的发展前景。本文主要从高速永磁电机的定转子结构和材料，铜耗、定子铁耗、风摩损耗、转子涡流损耗等方面，归纳总结各项损耗的值，概括了高速电机的转子的支承方式的演变与发展。最后，对高速永磁电机主要发展方向进行了展望。高速永磁电机；损耗分析；转子强度；电机设计

高速永磁电机根据它功率密度和效率高的优点，具有极大的发展潜力，它广泛地应用于各种功率层级的场所，并发展成为目前国内在在电机方面所研究的一个热点问题。虽然高速永磁电机的相关技术遵循了电磁原理，但是高转速也带来了一些需要深入研究的问题。

定转子的机构及其所使用的材料

高速永磁电机的运行除了电磁性能，它的转子结构和其所使用的材料对振动水平和高速转动也产生了直接影响，这也是对高速永磁电机相关技术设计和分析的关键一环。目前，高速永磁电机定转子常用的保护材料有玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维等纤维强度较高的复合材料，还有钛合金等特种合金，这种合金也是高强度的。定转子通常采用的两种结构是表贴式结构和两极圆柱的永磁体结构。前者的结构设计是将永磁体贴在轴的表层，然后由合金护套或符合材料进行保护。 通过对永磁体沿着径、轴向分段来控制它的内部涡流，从而消除内径处应力集中。后者的转子结构相对简单，它选取适当的过盈量使得永磁体在不同转速和不同温度下都受压力，主要是防止其离心力遭到破坏。这两种结构都是径向的磁场结构，可以达到功率密度较高的效果。

损耗情况分析及计算方法

a铜耗

铜耗是耗能的主要部分。在计算时，受临近效应（高频磁场对相邻导体产生的效应）和集肤效应（电流频率较高时使得电流密度聚集到导体表面）的影响，不可以直接运用直流电阻的计算方法，这会使得计算结果偏大。使用FEM的方法，通过直接对槽导体建模，不但能够提高精度，还能直接反映出导体内部的电流密度分布以及周边磁场，这也为定子的进一步优化设计指引了方向。

b定子铁耗

定子铁耗占据了所有耗能中很大的比例。一般采用比损耗法的方法对其进行计算，但是频率较高的时候，材料损耗的特性变化急剧，反而不再适用。对材料铁耗特性的精确测定是计算电机铁耗是否准确的第一步，通常采用单片测试仪和爱波斯坦方圈测试仪，这些都是具有国际标准的，但它们也只是测量了交变铁耗。若在旋转磁化的条件下，还要借助于更加复杂麻烦的二维甚至三维测试仪。

c风摩损耗

风摩损耗在传统的电机中一般不单独计算，因其电机速度低，风摩损耗很小。但在高速的电机中，损耗很高，甚至有的时候会是主要损耗。而风摩损耗是在气隙中的空气和转子表面的摩擦所形成的。在高速电机中，气隙中的空气通常是絮流状态，还伴随着轴向冷却气流，这使得计算结果与总结的经验公式有所出入。计算流体力学的方法是精度更高、理论更加完备的方法。它对转子端部或气隙的流体建模采用CFD仿真，计算出流体壁面切应力或者其能量变化，便得到了风摩损耗。

d转子涡流损耗

它包括齿槽和谐波所引起的不同的涡流损耗。它的计算方法通常包括有限元法和解析法，解析法通常在SPM电机中使用。解析法在计算速度上比较快，适用于在设计过程中存在对许多方案进行比较分析的情况，但在这种计算过程中进行了许多假设，因此忽略了许多因素，导致计算的精度难以保证，不具备普适性。而有限元法适用于对各种结构的转子涡流损耗的精确计算。二维有限元法的建模计算速度比较快，但忽视了轴向分段和端部效应的作用。三维有限元法能计算二者的影响作用，但是非常耗时。最近，研究人员分析研究了综合两种方法的优点的混合方法，虽然计算结果由于假设二维和三维谐波反应磁场是一样的，也存在一定的偏差，但也确实极大地提升了速度，减小了计算的规模。

高速永磁电机转子的支承技术

目前，高速永磁电机的轴承分为非接触式和接触式两种类型。前者包含了磁悬浮轴承和空气轴承，后者则主要是传统的滚珠轴承。从滚柱轴承，到空气轴承，再到磁悬浮轴承的发展，技术在一点点的进步，也更加的娴熟。另外，无轴承电机的使用原理是利用磁轴承从而产生电磁力，把磁轴承中能够生成径向力的绕组装置在电机定子上，结合解耦控制，能够在输出转矩时，也实现转子悬浮。但这项技术并未成熟，还需要深入探索研究。

结语

高速永磁电机的定子结构及其材料、损耗分析、转子支承技术等方面的研究都需要进一步完善和发展，相关问题也会持续是研究的热点。因此，主要技术的研究发展方向包括：新结构、新工艺、新材料在定转子方面的应用；定转子的损耗机理计算技术的探究；高速永磁电机的转子支承技术。随着高速永磁电机的技术发展与推广应用，它的设计必定会实现进一步的优化。

参考：

［1］王继强，王凤翔，孔晓光.高速永磁发电机的设计与电磁性能分析［J］.中国电机工程学报，2008，28（20）：105-110.

［2］邱洪波，李伟力，张晓晨等.背绕式定子绕组高速永磁电机三维端部区域电磁场分析与计算［J］.中国电机工程学报，2012，32（24）：80-87.