王猛

摘要：高速永磁電機在航空航天、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)有文獻中的高速永磁電機定轉(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)子渦流損耗與風摩損耗等方面，分別總結(jié)歸納了電機中各項損耗及其計算方法；

關(guān)鍵詞：高速永磁電機設(shè)計；分析；技術(shù)研究

高速永磁電機是當前精密制造行業(yè)中的重要裝備，隨著近幾年科學技術(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，雖然設(shè)計原理一樣，但是，高速永磁電機擁有更多的優(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損耗、轉(zhuǎn)子強度和溫升計算。

一、高速永磁電機設(shè)計技術(shù)

1.電機磁懸浮技術(shù)。高速電機區(qū)別于普通電機，不能采用以往的機械軸承，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)，也將逐步進入高速電機這一研究領(lǐng)域。

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

的選擇也是電機設(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)的電機一般都會通過增加氣隙的長度來達到散熱的目的。在材料的設(shè)計方面上，當前最常采用的是在0.2mm厚度以內(nèi)的硅鋼片。

3.電機轉(zhuǎn)子的設(shè)計。高速永磁電機運行時，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度，并且摩擦會產(chǎn)生高溫，這也極其容易破壞轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。因此電機的穩(wěn)定運行，不僅要增強轉(zhuǎn)子強度，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，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，所以當對溫度要求較高時，可以選擇。永磁材料也可以承受離心力。

二、對高速永磁電機分析技術(shù)的綜述

1.對電機損耗的分析。對電機損耗的分析技術(shù)，是目前高速永磁電機分析技術(shù)中較為熱門的話題。這是因為在高速永磁電機的運行過程中，電機定子勢必會產(chǎn)生一定的鐵耗或者銅耗，因此，目前許多學者都加強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行高速永磁電機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)方法進行定子銅耗計算。此外，在高速永磁電機損耗分析中，對電機轉(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轉(zhuǎn)子渦流損耗進行分析。

2.對電機轉(zhuǎn)子強度的分析。在高速永磁電機的實際運行過程中，由于電機轉(zhuǎn)子會受到來自離心力的巨大破壞，因此，為了進一步確保電機轉(zhuǎn)子的安全穩(wěn)定運行，就必須在電機轉(zhuǎn)子設(shè)計的過程中，做好對電機轉(zhuǎn)子強度的分析工作。通常情況下，我們在分析結(jié)構(gòu)簡單的電機轉(zhuǎn)子強度時，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)力進行準確的分析，得出計算結(jié)果。在分析結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電機轉(zhuǎn)子強度時，則需要先對計算結(jié)果進行簡化解析，并利用FEM法對電機各項材料的性質(zhì)分別進行分析。而在分析實際運轉(zhuǎn)中的電機轉(zhuǎn)子強度時，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)模的電機轉(zhuǎn)子強度分析。與此同時，為了確保在高速永磁電機運行過程中，電機轉(zhuǎn)子能夠保持良好的工作性能，還要對電機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性、不平衡相應(yīng)等動力學內(nèi)容展開詳細的分析。

3.對電機溫升計算的分析。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，如何準確的計算溫升，則儼然已經(jīng)成為永磁電機散熱設(shè)計的關(guān)鍵所在。目前在對高速永磁電機的溫升計算中，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)對高速永磁電機各個部分的溫升進行計算。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)進行計算前，就必須建立高速永磁電機的冷卻流體網(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，對高速永磁電機實體進行建模剖分，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。但是，由于FEM法在結(jié)果計算中也是依據(jù)經(jīng)驗方法進行計算，所以與LPTN面臨著相同的問題，就是計算結(jié)果的準確性，嚴重依賴于傳熱條件的準確程度。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的內(nèi)部、外部流體情況，溫升分布情況，進行準確的求解，因此CFD法計算出的結(jié)果準確性更高。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，近些年來諸多學者就CFD法展開了詳細的分析，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功率與效率提出了更高的要求，所以CFD法在高速永磁電機傳熱方面的應(yīng)用勢必會更加廣泛，值得廣大電機相關(guān)工作者加以深入研究與探討。

與具有常速的普通電機相比，高速電機的轉(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的設(shè)計和分析技術(shù)進行研究，旨在提升其應(yīng)用水平。隨著高速永磁電機設(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

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（作者單位：丹佛斯（天津）有限公司）