唐慶軍

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)綜述

唐慶軍

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

從電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、電機(jī)定子設(shè)計(jì)兩個方面入手對高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析，又從電機(jī)損耗、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、溫度計(jì)算這三個方面入手對高速永磁電機(jī)的分析技術(shù)進(jìn)行綜述，為高速永磁電機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供有益的參考借鑒。

高速永磁電機(jī)；電機(jī)設(shè)計(jì)；分析技術(shù)

1 對高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的分析

1.1 對電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的分析

正是因?yàn)樵诟咚儆来烹姍C(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，其電機(jī)轉(zhuǎn)子也會隨之進(jìn)行高速的旋轉(zhuǎn)，所以，電機(jī)轉(zhuǎn)子不僅會產(chǎn)生較大的離心力，還會因?yàn)椴粩嗄Σ廉a(chǎn)生高溫對電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞。因此，要想進(jìn)一步確保高速永磁電機(jī)能夠進(jìn)行安全運(yùn)轉(zhuǎn)，須確保電機(jī)的轉(zhuǎn)子能夠擁有最為基本的強(qiáng)度，并且還要擁有耐高溫、低損耗等特性。而要想達(dá)到這一目標(biāo)，就必須從電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)這兩個方面入手。在電機(jī)轉(zhuǎn)子材料的設(shè)計(jì)上，應(yīng)選擇具有較高矯頑力的永磁材料，這是因?yàn)檫@類材料本身就具有較小的溫度系數(shù)，所以能夠使電機(jī)轉(zhuǎn)子維持在一個穩(wěn)定的溫度之上，其能夠適應(yīng)較高的溫度，可應(yīng)用范圍極為廣泛。同時，具有較高矯頑力的永磁材料往往還具有較好的抗壓性能與抗撓強(qiáng)度，能夠承受住高速永磁電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力。而在電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，則可以利用以下兩種結(jié)構(gòu):表貼式結(jié)構(gòu)與兩極圓柱永磁結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)在使用過程中，對電機(jī)轉(zhuǎn)子材料能夠進(jìn)行很好的保護(hù)。

1.2 對電機(jī)定子設(shè)計(jì)的分析

電機(jī)定子是高速永磁電機(jī)最為重要的散熱通道，也正因如此，當(dāng)高速永磁電機(jī)發(fā)生損耗時，其往往也是出現(xiàn)在電機(jī)定子之上，此外，電機(jī)轉(zhuǎn)子的損耗與電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)、材料都有著十分重要的聯(lián)系。所以，要想確保高速永磁電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就必須做好電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)。在電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，我們可以選擇環(huán)形繞組這種結(jié)構(gòu)方式。這種結(jié)構(gòu)方式最大的優(yōu)勢在于該種定子結(jié)構(gòu)模式下，其繞組往往處于電機(jī)的軛部，因此，大大縮短了對電機(jī)轉(zhuǎn)子長度的需求，并且電機(jī)轉(zhuǎn)子的剛度也有所提高。尤其環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)還具備很多內(nèi)外槽，而這些內(nèi)外槽恰恰能夠輔助電機(jī)定子進(jìn)行散熱且能夠成為電機(jī)又一散熱渠道。但在這種結(jié)構(gòu)下需要注意的是，此種齒槽勢必使電機(jī)轉(zhuǎn)子的損耗進(jìn)一步加大，所以，為了能夠更好的降低損耗，應(yīng)增加高速永磁電機(jī)的氣隙長度。而在電機(jī)定子的材料設(shè)計(jì)上，則應(yīng)該選用厚度小于0.2mm的無取向硅鋼片。

2 對高速永磁電機(jī)分析技術(shù)的綜述

2.1 對電機(jī)損耗的分析

對電機(jī)損耗的分析技術(shù)，是目前高速永磁電機(jī)分析技術(shù)中較為熱門的話題。這是因?yàn)樵诟咚儆来烹姍C(jī)的運(yùn)行過程中，電機(jī)定子勢必會產(chǎn)生一定的鐵耗或者銅耗，因此，目前許多學(xué)者都加強(qiáng)了對定子鐵耗與定子銅耗分析技術(shù)的研究。在定子鐵耗的分析上，主要采取比損耗法，也就說按照特定頻率和磁密下的定子鐵耗進(jìn)行高速永磁電機(jī)運(yùn)行過程中定子鐵耗的計(jì)算，并且結(jié)合一定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對所得計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。而在定子銅耗的分析上，則主要采取解析模型效應(yīng)方法進(jìn)行定子銅耗計(jì)算。此外，在高速永磁電機(jī)損耗分析中，對電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的分析也是重中之重，往往采用解析法與有限元法，通過這兩種方法對電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行分析。

2.2 對電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的分析

在高速永磁電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子會受到來自離心力的巨大破壞，因此，為了進(jìn)一步確保電機(jī)轉(zhuǎn)子的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就必須在電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的過程中，做好對電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的分析工作。通常情況下，我們在分析結(jié)構(gòu)簡單的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度時，往往可以將其轉(zhuǎn)子內(nèi)部的應(yīng)力以及永磁體內(nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，得出計(jì)算結(jié)果。在分析結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度時，則需要先對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行簡化解析，并利用FEM法對電機(jī)各項(xiàng)材料的性質(zhì)分別進(jìn)行分析。而在分析實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度時，則應(yīng)該做好對轉(zhuǎn)子二維軸向截面的分析工作，從而實(shí)現(xiàn)較小規(guī)模的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析。與此同時，為了確保在高速永磁電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子能夠保持良好的工作性能，還要對電機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性、不平衡相應(yīng)等動力學(xué)內(nèi)容展開詳細(xì)的分析。

2.3 對電機(jī)溫升計(jì)算的分析

在實(shí)際運(yùn)行過程中，永磁體工作點(diǎn)會受到溫度的較大影響，過高的溫度還會造成永磁體失磁問題。所以，對于高速永磁電機(jī)而言，其性能與溫升水平有著密不可分的聯(lián)系。因此，如何準(zhǔn)確的計(jì)算溫升，則儼然已經(jīng)成為永磁電機(jī)散熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。目前在對高速永磁電機(jī)的溫升計(jì)算中，常見的溫升計(jì)算方法主要有三種：

第一，LPTN法。LPTN法的應(yīng)用實(shí)質(zhì)就是將高速永磁電機(jī)中溫度較為相近的部分合成一個節(jié)點(diǎn)，并用熱阻模擬節(jié)點(diǎn)之間的傳熱。對于固體熱傳導(dǎo)所對應(yīng)的熱阻，可根據(jù)固體材料的導(dǎo)熱率和幾何尺寸予以計(jì)算。而對于流固交界面處的對流傳熱熱阻，則要根據(jù)流傳熱系數(shù)與交界面的實(shí)際面積予以計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算中，可充分借助電路實(shí)現(xiàn)，將高速永磁電機(jī)各個部分的損耗，作為熱源加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之上，并將這些熱源看作是電流源，熱阻看作是電阻，溫度看作是電壓，基于此采用電網(wǎng)絡(luò)求解技術(shù)對高速永磁電機(jī)各個部分的溫升進(jìn)行計(jì)算。一般來講，根據(jù)不同的離散程度可將高速永磁電機(jī)劃分為幾個、幾十個，甚至是上百個節(jié)點(diǎn)。其中，離散程度越高，計(jì)算越準(zhǔn)確，在熱阻的計(jì)算工作上也就更為復(fù)雜。此外，因?yàn)榱鱾鳠嵯禂?shù)與流體流速有著密不可分的關(guān)系，所以，在對熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算前，就必須建立高速永磁電機(jī)的冷卻流體網(wǎng)絡(luò)，利用經(jīng)驗(yàn)公式、曲線以及表格，確定流傳熱系數(shù)。

第二，F(xiàn)EM法。FEM法是利用二維或者是三維的方式，對高速永磁電機(jī)實(shí)體進(jìn)行建模剖分，以此加載各項(xiàng)損耗的密度與傳熱條件。所以，求解所獲得的溫升分布與LPTN相比更加詳細(xì)。但是，由于FEM法在結(jié)果計(jì)算中也是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算，所以與LPTN面臨著相同的問題，就是計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重依賴于傳熱條件的準(zhǔn)確程度。因此，在實(shí)際的溫升計(jì)算中，多使用FEM法作為LPTN模型的修正與細(xì)化。

第三，CFD法。與LPTN法、FEM法相比，CFD法在對流傳熱系數(shù)的確認(rèn)上無須借助經(jīng)驗(yàn)方法，只需借助流固耦合和共軛傳熱建模技術(shù)，就可以對高速永磁電機(jī)的內(nèi)部、外部流體情況，溫升分布情況，進(jìn)行準(zhǔn)確的求解，因此CFD法計(jì)算出的結(jié)果準(zhǔn)確性更高。但同時，在CFD法的應(yīng)用過程中，對剖分技術(shù)、計(jì)算機(jī)資源等要求較高，計(jì)算過程較為耗時，因此在一定程度上也阻礙了CFD法的廣泛應(yīng)用與推廣。所以，近些年來諸多學(xué)者就CFD法展開了詳細(xì)的分析，將LPTN法與CFD法相結(jié)合，或者是將FEM法與CFD法相結(jié)合，充分利用各種計(jì)算方法的優(yōu)勢，既降低了溫升的實(shí)際計(jì)算時長，也進(jìn)一步提高了溫升的計(jì)算精度。尤其是近年來，隨著我國計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，軟硬件技術(shù)也隨之得到了相應(yīng)的提高，人們對高速永磁電機(jī)功率與效率提出了更高的要求，所以CFD法在高速永磁電機(jī)傳熱方面的應(yīng)用勢必會更加廣泛，值得廣大電機(jī)相關(guān)工作者加以深入研究與探討。

3 結(jié)語

眾所周知，正是因?yàn)殡姍C(jī)定轉(zhuǎn)子材料與結(jié)構(gòu)是高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，所以，要想做好對高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造，就必須要從對電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的設(shè)計(jì)入手，就高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析，并且從電機(jī)損耗、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、溫升計(jì)算這三個角度入手，對高速永磁電機(jī)的分析技術(shù)展開綜述。也只有如此，才能夠更為清楚地對高速永磁電機(jī)進(jìn)行剖析，從而為電機(jī)設(shè)計(jì)工作者在今后高速永磁電機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)上提供全新的思路，以期能夠不斷的完善高速永磁電機(jī)的相關(guān)技術(shù)，使高速永磁電機(jī)得到更為廣泛的應(yīng)用。

[1] 董劍寧，黃允凱，金龍，等.高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34(27):4640-4653.

[2] 雎黎.高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)綜述[J].科技風(fēng)，2015，(05):30.

[3] 張道洋，李琳琳，溫家寶.高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)研究[J].通訊世界，2016，(01):255-256.

[4] 郭思源.永磁電機(jī)磁場解析方法及其應(yīng)用研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2014.

Summary of design and analysis technique of high-speed permanent magnet motor

TANG Qing-jun

(Jiamusi Electric Machinery Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

The design technology of high-speed permanent magnet motor is analyzed from the aspects of motor rotor design and stator design, and the analysis technique of high-speed permanent magnet motor is reviewed from three aspects of motor loss, rotor strength and temperature calculation, which provides a useful reference for the design of high-speed permanent magnet motor.

High-speed permanent magnet motor; Electric machine design; Analysis technique

2016-09-25

唐慶軍(1982-)，男，碩士，助理工程師。

TM351

B

1674-8646(2016)22-0046-02