王猛

摘要：高速永磁電機(jī)在航空航天、能源及精密制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該文首先介紹了現(xiàn)有文獻(xiàn)中的高速永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其所使用的材料;然后從定子鐵耗、銅耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗與風(fēng)摩損耗等方面，分別總結(jié)歸納了電機(jī)中各項損耗及其計算方法;

關(guān)鍵詞：高速永磁電機(jī)設(shè)計;分析;技術(shù)研究

高速永磁電機(jī)是當(dāng)前精密制造行業(yè)中的重要裝備，隨著近幾年科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展它也得到了越來越多的應(yīng)用。相比于普通電機(jī)，雖然設(shè)計原理一樣，但是，高速永磁電機(jī)擁有更多的優(yōu)勢，如轉(zhuǎn)速更快、體積更小、工作效率更高、成本更低。高速永磁電機(jī)的高轉(zhuǎn)速卻造成一些問題，目前其設(shè)計工作的重點在于定子與轉(zhuǎn)子的設(shè)計，而其分析技術(shù)工作的重點在于電機(jī)損耗、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和溫升計算。

一、高速永磁電機(jī)設(shè)計技術(shù)

1.電機(jī)磁懸浮技術(shù)。高速電機(jī)區(qū)別于普通電機(jī)，不能采用以往的機(jī)械軸承，需要的是采用如磁懸浮列車般的非接觸類型的軸承。有著諸如，轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)調(diào)高、摩擦的功耗也會隨之減少、并且不用潤滑以及壽命較長等優(yōu)點，磁懸浮技術(shù)做為一種還處于試用階段的高新技術(shù)，也將逐步進(jìn)入高速電機(jī)這一研究領(lǐng)域。

2.電機(jī)定子的設(shè)計。電機(jī)的定子就相當(dāng)于電機(jī)的散熱器，定子的材料和結(jié)構(gòu)

的選擇也是電機(jī)設(shè)計研究的重要組成部分。首先從結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，當(dāng)前最常采用的定子結(jié)構(gòu)形式是環(huán)形繞組。這種結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)子需求長度縮短，從而使得轉(zhuǎn)子的韌度也有所提升。并且這種結(jié)構(gòu)因為設(shè)計了較多的齒槽，就如同散熱器一樣，可以保持定子處于較為正常的溫度。但仍然需特別注意的是，電機(jī)在高速運轉(zhuǎn)時，齒槽也會增加對轉(zhuǎn)子的耗損。因此為了減少這種耗損，此結(jié)構(gòu)的電機(jī)一般都會通過增加氣隙的長度來達(dá)到散熱的目的。在材料的設(shè)計方面上，當(dāng)前最常采用的是在0.2mm厚度以內(nèi)的硅鋼片。

3.電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計。高速永磁電機(jī)運行時，轉(zhuǎn)子會通過電磁效應(yīng)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)。在工作的過程中，轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生極大的離心力，所以轉(zhuǎn)子一定要有足夠的強(qiáng)度，并且摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，這也極其容易破壞轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。因此電機(jī)的穩(wěn)定運行，不僅要增強(qiáng)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度，還要確保材料有低耗損以及耐高溫的性質(zhì)。而要實現(xiàn)這些目標(biāo)，需要在轉(zhuǎn)子的材料以及設(shè)計結(jié)構(gòu)上下功夫。在材料的設(shè)計方面上，最常使用的是具有較強(qiáng)適應(yīng)性的永磁材料。這種材料的選擇，考慮到的是永磁材料本身溫度系數(shù)較小，能夠使轉(zhuǎn)子保持在一個正常穩(wěn)定的溫度。并且它對溫度的適應(yīng)性也比較強(qiáng)，所以當(dāng)對溫度要求較高時，可以選擇。永磁材料也可以承受離心力。

二、對高速永磁電機(jī)分析技術(shù)的綜述

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。這是因為在高速永磁電機(jī)的運行過程中，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)運行過程中定子鐵耗的計算，并且結(jié)合一定的經(jīng)驗系數(shù)，對所得計算結(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.對電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的分析。在高速永磁電機(jī)的實際運行過程中，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)定運行，就必須在電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計的過程中，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，則需要先對計算結(jié)果進(jìn)行簡化解析，并利用FEM法對電機(jī)各項材料的性質(zhì)分別進(jìn)行分析。而在分析實際運轉(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。

3.對電機(jī)溫升計算的分析。在實際運行過程中，永磁體工作點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)確的計算溫升，則儼然已經(jīng)成為永磁電機(jī)散熱設(shè)計的關(guān)鍵所在。目前在對高速永磁電機(jī)的溫升計算中，常見的溫升計算方法主要有三種：第一，LPTN法。LPTN法的應(yīng)用實質(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，并用熱阻模擬節(jié)點之間的傳熱。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)與交界面的實際面積予以計算。在實際計算中，可充分借助電路實現(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。其中，離散程度越高，計算越準(zhǔn)確，在熱阻的計算工作上也就更為復(fù)雜。此外，因為流傳熱系數(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)實體進(jìn)行建模剖分，以此加載各項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)果計算中也是依據(jù)經(jīng)驗方法進(jìn)行計算，所以與LPTN面臨著相同的問題，就是計算結(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，在實際的溫升計算中，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)、計算機(jī)資源等要求較高，計算過程較為耗時，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，充分利用各種計算方法的優(yōu)勢，既降低了溫升的實際計算時長，也進(jìn)一步提高了溫升的計算精度。尤其是近年來，隨著我國計算機(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。

與具有常速的普通電機(jī)相比，高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和繞組電流頻率均比較高，其單位體積定子的鐵耗和銅耗顯著增加，轉(zhuǎn)子的高頻渦流損耗和表面空氣摩擦損耗皆有較大提升。因此，本文對高速永磁電機(jī)的設(shè)計和分析技術(shù)進(jìn)行研究，旨在提升其應(yīng)用水平。隨著高速永磁電機(jī)設(shè)計和分析技術(shù)的優(yōu)化，其發(fā)展前景必將更加廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]秦宇.高速永磁發(fā)電機(jī)冷卻流道結(jié)構(gòu)雙維度連續(xù)量子蟻群優(yōu)化的溫度場計算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，31（36）：77-85.

[2]吳力晨.背繞式定子繞組高速永磁電機(jī)三維端部區(qū)域電磁場分析與計算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，32（24）：80-87.

（作者單位：丹佛斯（天津）有限公司）