高速永磁电机设计与分析技术

摘 要：高速永磁电机是精化工制造行业经常应用的发电设备。我国的科学技术水平在不断进步，使得我国的高新技术的各个行业都有了快速发展，也让我国高速永磁电机技术有了发展和进步。本文分析了高速永磁电机的设计原理，研究了其分析技术，希望可以给相关人员提供参考和借鉴。

关键词：高速永磁电机；设计；分析

高速永磁电机是精密制造行业的主要部分，随着科学技术的发展，它在工业的应用上很受重视。高速永磁电机的设计也遵循基本的电磁原理，可是其体积小，转速快，可以提高电机的工作效率同时可以节约成本。比普通电机有很多优点，可是也要有效解决高转速带来的问题。

1高速永磁电机的设计技术

高速永磁电机的设计技术包括三部分，第一，电机磁悬浮的高新技术。和普通电机不同，不应用机械轴承，应用的是象磁悬浮列车一样的不直接接触的轴承，这种轴承的优点是能够适当调高转速，也减少了摩擦功耗，不用润滑，寿命长等等。第二，设计电机定子[1]。电机定子好像是电机散热器，其材料及结构是进行电机设计的重要部分。对于其结构设计，目前比较常用的是环形绕组，这个结构有很多齿槽，和散热器一般，可以使定子温度保持正常。可是需要注意，在电机高速运转时，齿槽也使转子产生耗损。所以，要减小耗损，电机通常利用增加气隙长度增加散热。其材料设计通常应用硅钢片，厚度在0.2mm。第三，设计电机转子。在高速永磁电机的运行过程中，其转子也会因电磁效应而高速旋转。工作时，转子具有很大离心力，因此，转子的强度必须足够大，同时，旋转时会因摩擦出现高温，这样会对转子结构产生破坏。所以，要达到转子的运行稳定，要增加转子强度，同时还要保证材料的损耗低和具有一定的耐高温性能。因为这些因素，必须加强转子的材料和结构设计。进行其材料的设计时，比较常用的是永磁材料，这种材料具有比较强的适应性。选择这种材料，还因为其稳定系数较大，可以让转子的温度保持正常稳定。同时对温度也具有比较强的适应性，因此温度较高时可以应用。并且，永磁材料能顾承受比较大的离心力。

2高速永磁电机的分析技术

高速永磁电机的分析技术包括三项内容，第一，分析电机耗损。分析电机损耗是永磁电机分析技术的重要问题。在电机进行转动时，定子会发生损耗。现在应用的分析方法是比损耗法。是根据一定频率及定子的铁耗进行计算定子在运转当中的损耗[2]。此外，在电机运转过程中也产生一定的铜耗，现在应用的是解析模型等方法。另外，电机耗损分析的重要部分还有转子的涡流损耗。目前应用解析法和有限元法进行分析。第二，分析转子强度。在进行电机设计时，为避免离心力情况下的转子受到破坏，进行分析转子强度。通常简单转子强度分析，能分析出永磁体和转子内应力。转子如果比较复杂，分析过程中要进行解析结果的简化，同时根据FEM法分析材料各项性质。另外，要确保转子的高效性能，还要分析转子的稳定性。第三，计算电机的温升。考核电机性能的好坏必须考虑其温升，所以，要进行电机技术的分析必须计算其温升。温度对电机的影响很重要。永磁体具有的工作区域对温度很敏感，因此温度过高就会导致永磁体产生失磁现象。同时，因电机功率密度比较高，散热面积有限，因此要限制温升，需要加强散热设计，进行散热设计必须准确计算电机的温升。如今的温升计算方法有CFD、FEM、LPTN 等三种方法。

3对设计和分析技术的相关问题解决方法

3.1 选择转子

要减少离心力，必须慎重选择转子直径和长度。选择高速电机转子的直径时，要求是越小越好，同时必须保证转子有能够空间可以容纳永磁体和转轴。但是转子的直径不能过小，高速电机的转子通常设计成细长型，这样可以保证转子的韧度规格较高，同时其临界转动速度也比较高。同时，设计的转子不能有过长的轴向长度，特别是应用磁悬浮轴承类的高速永磁电机的转子，要降低因跨越临界转速时产生较大磁悬浮控制难度，最好增强转子任性的设计，应用合理科学的转子长径比。因此，高速永磁电机转子进行其直径和长度的设计时，必须经过精确分析才进行确定，尽量减少问题发生。

3.2 选择永磁材料

高速永磁电机应用的永磁体要具有相应良好的磁性能力，同时也必须具有较强的适应力，并且可以有效正常的发挥其自身的性能。同时要保持其工作温度正常和温升的稳定性。因高速永磁电机转子需要高频和高速运转，会产生较大的损坏，同时散热能力差，因此在进行永磁材料的选择时，都必须认真和重点考虑。

3.3 设计永磁电机转子护套

高速永磁电机通常选择的永磁材料像冶金粉末一样，它可以承受相应的压应力，可是不能承受很大拉应力，因此，在正常情况下其抗拉强度比其抗压强度低。如果不应用相应的保护，永磁体对于转子高速旋转产生的很大离心力很难承受[3]。对永磁体的保护方法是在永磁体外面加保护套，这种保护套不导磁，强度较高，永磁体和护套之间应用过盈配合形式，护套具有的作用是转子不旋转的静态平衡时，能让永磁体承受相应的压应力，对高速旋转的离心力产生的拉应力进行相应的补偿。永磁体要在其承受范围内承担拉应力。对于给永磁体施加的预压力是多大，在永磁体和护套间应用多大的过盈量合适，这些都需要根据永磁电机转子结构和转子运转速率范围以及其应用的材料性能等，进行转子强度的分析，并进行准确的计算才可以确定。应用不导磁合金钢的护套，具有显著的优点，能够频闭高频磁场，具有很好的导热性能，可以帮助永磁体散热等等，可是也存在一些缺点，比如因为护套是导电体，要产生一定的损耗，和一些金属材质护套比较，应用碳纤维材质进行的绑扎带，具有比较小的厚度，在应用过程中也不产生损耗。可是碳纤维没有很好的导热性，因此，也影响永磁电机转子散热，而且，碳纤维不能频闭高频磁场。通过研究和分析，永磁体材料应用碳纤维材质作为绑扎带，在其外部加一层具有很好导电性但是不导磁的金属材料，可以频闭高频磁场，同时消耗也很小。

结束语：

综上所述，高速永磁电机进行设计和分析时，要对其结构和材料等进行分析计算，同时要根据其设计问题进行相应的处理。通过对高速永磁电机的技术进行分析，目前在进行电机耗损、转子强度和温升计算等方面还需要进行深入研究和分析。因此，目前的高速永磁电机的转子和定子当中需要在结构、工艺和材料等方面进行创新应用；加强研究定子转子的耗损；对相应的护套技术进行深入研发等等。现在的科学技术在不断的发展和进步，我国的高速永磁电机的相应技术也会得到进一步提高和完善，可以在今后的经济发展和工业生产当中普遍应用。

参考文献：

[1]赵振涛.高速永磁电机设计与分析技术[J].科研，2016（8）：00023-00024.

[2]张道洋，李琳琳，温家宝.高速永磁电机设计与分析技术研究[J].通讯世界， 2016（1）：255-256.

[3]袁超.高速永磁電机设计与分析技术研讨[J].现代经济信息， 2017（10）：355-355.

作者简介：

高月华（1986-04）女，汉族，河北省石家庄市，从事电机设计工作；