高速永磁电机设计与分析技术综述

王猛

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。该文首先介绍了现有文献中的高速永磁电机定转子结构及其所使用的材料;然后从定子铁耗、铜耗、转子涡流损耗与风摩损耗等方面，分别总结归纳了电机中各项损耗及其计算方法;

关键词：高速永磁电机设计;分析;技术研究

高速永磁电机是当前精密制造行业中的重要装备，随着近几年科学技术的迅猛发展它也得到了越来越多的应用。相比于普通电机，虽然设计原理一样，但是，高速永磁电机拥有更多的优势，如转速更快、体积更小、工作效率更高、成本更低。高速永磁电机的高转速却造成一些问题，目前其设计工作的重点在于定子与转子的设计，而其分析技术工作的重点在于电机损耗、转子强度和温升计算。

一、高速永磁电机设计技术

1.电机磁悬浮技术。高速电机区别于普通电机，不能采用以往的机械轴承，需要的是采用如磁悬浮列车般的非接触类型的轴承。有着诸如，转速可以适当调高、摩擦的功耗也会随之减少、并且不用润滑以及寿命较长等优点，磁悬浮技术做为一种还处于试用阶段的高新技术，也将逐步进入高速电机这一研究领域。

2.电机定子的设计。电机的定子就相当于电机的散热器，定子的材料和结构

的选择也是电机设计研究的重要组成部分。首先从结构设计来看，当前最常采用的定子结构形式是环形绕组。这种结构使得转子需求长度缩短，从而使得转子的韧度也有所提升。并且这种结构因为设计了较多的齿槽，就如同散热器一样，可以保持定子处于较为正常的温度。但仍然需特别注意的是，电机在高速运转时，齿槽也会增加对转子的耗损。因此为了减少这种耗损，此结构的电机一般都会通过增加气隙的长度来达到散热的目的。在材料的设计方面上，当前最常采用的是在0.2mm厚度以内的硅钢片。

3.电机转子的设计。高速永磁电机运行时，转子会通过电磁效应产生高速旋转。在工作的过程中，转子会产生极大的离心力，所以转子一定要有足够的强度，并且摩擦会产生高温，这也极其容易破坏转子的结构。因此电机的稳定运行，不仅要增强转子强度，还要确保材料有低耗损以及耐高温的性质。而要实现这些目标，需要在转子的材料以及设计结构上下功夫。在材料的设计方面上，最常使用的是具有较强适应性的永磁材料。这种材料的选择，考虑到的是永磁材料本身温度系数较小，能够使转子保持在一个正常稳定的温度。并且它对温度的适应性也比较强，所以当对温度要求较高时，可以选择。永磁材料也可以承受离心力。

二、对高速永磁电机分析技术的综述

1.对电机损耗的分析。对电机损耗的分析技术，是目前高速永磁电机分析技术中较为热门的话题。这是因为在高速永磁电机的运行过程中，电机定子势必会产生一定的铁耗或者铜耗，因此，目前许多学者都加强了对定子铁耗与定子铜耗分析技术的研究。在定子铁耗的分析上，主要采取比损耗法，也就说按照特定频率和磁密下的定子铁耗进行高速永磁电机运行过程中定子铁耗的计算，并且结合一定的经验系数，对所得计算结果进行修正。而在定子铜耗的分析上，则主要采取解析模型效应方法进行定子铜耗计算。此外，在高速永磁电机损耗分析中，对电机转子涡流损耗的分析也是重中之重，往往采用解析法与有限元法，通过这两种方法对电机转子涡流损耗进行分析。

2.对电机转子强度的分析。在高速永磁电机的实际运行过程中，由于电机转子会受到来自离心力的巨大破坏，因此，为了进一步确保电机转子的安全稳定运行，就必须在电机转子设计的过程中，做好对电机转子强度的分析工作。通常情况下，我们在分析结构简单的电机转子强度时，往往可以将其转子内部的应力以及永磁体内部的应力进行准确的分析，得出计算结果。在分析结构复杂的电机转子强度时，则需要先对计算结果进行简化解析，并利用FEM法对电机各项材料的性质分别进行分析。而在分析实际运转中的电机转子强度时，则应该做好对转子二维轴向截面的分析工作，从而实现较小规模的电机转子强度分析。与此同时，为了确保在高速永磁电机运行过程中，电机转子能够保持良好的工作性能，还要对电机转子的临界转速、稳定性、不平衡相应等动力学内容展开详细的分析。

3.对电机温升计算的分析。在实际运行过程中，永磁体工作点会受到温度的较大影响，过高的温度还会造成永磁体失磁问题。所以，对于高速永磁电机而言，其性能与温升水平有着密不可分的联系。因此，如何准确的计算温升，则俨然已经成为永磁电机散热设计的关键所在。目前在对高速永磁电机的温升计算中，常见的温升计算方法主要有三种：第一，LPTN法。LPTN法的应用实质就是将高速永磁电机中温度较为相近的部分合成一个节点，并用热阻模拟节点之间的传热。对于固体热传导所对应的热阻，可根据固体材料的导热率和几何尺寸予以计算。而对于流固交界面处的对流传热热阻，则要根据流传热系数与交界面的实际面积予以计算。在实际计算中，可充分借助电路实现，将高速永磁电机各个部分的损耗，作为热源加在相应的节点之上，并将这些热源看作是电流源，热阻看作是电阻，温度看作是电压，基于此采用电网络求解技术对高速永磁电机各个部分的温升进行计算。一般来讲，根据不同的离散程度可将高速永磁电机划分为几个、几十个，甚至是上百个节点。其中，离散程度越高，计算越准确，在热阻的计算工作上也就更为复杂。此外，因为流传热系数与流体流速有着密不可分的关系，所以，在对热网络进行计算前，就必须建立高速永磁电机的冷却流体网络，利用经验公式、曲线以及表格，确定流传热系数。第二，FEM法。FEM法是利用二维或者是三维的方式，对高速永磁电机实体进行建模剖分，以此加载各项损耗的密度与传热条件。所以，求解所获得的温升分布与LPTN相比更加详细。但是，由于FEM法在结果计算中也是依据经验方法进行计算，所以与LPTN面临着相同的问题，就是计算结果的准确性，严重依赖于传热条件的准确程度。因此，在实际的温升计算中，多使用FEM法作为LPTN模型的修正与细化。第三，CFD法。与LPTN法、FEM法相比，CFD法在对流传热系数的确认上无须借助经验方法，只需借助流固耦合和共轭传热建模技术，就可以对高速永磁电机的内部、外部流体情况，温升分布情况，进行准确的求解，因此CFD法计算出的结果准确性更高。但同时，在CFD法的应用过程中，对剖分技术、计算机资源等要求较高，计算过程较为耗时，因此在一定程度上也阻礙了CFD法的广泛应用与推广。所以，近些年来诸多学者就CFD法展开了详细的分析，将LPTN法与CFD法相结合，或者是将FEM法与CFD法相结合，充分利用各种计算方法的优势，既降低了温升的实际计算时长，也进一步提高了温升的计算精度。尤其是近年来，随着我国计算机网络信息技术的快速发展，软硬件技术也随之得到了相应的提高，人们对高速永磁电机功率与效率提出了更高的要求，所以CFD法在高速永磁电机传热方面的应用势必会更加广泛，值得广大电机相关工作者加以深入研究与探讨。

与具有常速的普通电机相比，高速电机的转速和绕组电流频率均比较高，其单位体积定子的铁耗和铜耗显著增加，转子的高频涡流损耗和表面空气摩擦损耗皆有较大提升。因此，本文对高速永磁电机的设计和分析技术进行研究，旨在提升其应用水平。随着高速永磁电机设计和分析技术的优化，其发展前景必将更加广阔。

参考文献

[1]秦宇.高速永磁发电机冷却流道结构双维度连续量子蚁群优化的温度场计算[J].中国电机工程学报，2014，31（36）：77-85.

[2]吴力晨.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，2014，32（24）：80-87.

（作者单位：丹佛斯（天津）有限公司）