高速永磁电机设计与分析技术综述

唐庆军

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002)

高速永磁电机设计与分析技术综述

唐庆军

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002)

从电机转子设计、电机定子设计两个方面入手对高速永磁电机设计技术进行分析，又从电机损耗、转子强度、温度计算这三个方面入手对高速永磁电机的分析技术进行综述，为高速永磁电机的相关设计工作提供有益的参考借鉴。

高速永磁电机；电机设计；分析技术

1 对高速永磁电机设计的分析

1.1 对电机转子设计的分析

正是因为在高速永磁电机的正常运转中，其电机转子也会随之进行高速的旋转，所以，电机转子不仅会产生较大的离心力，还会因为不断摩擦产生高温对电机转子结构进行破坏。因此，要想进一步确保高速永磁电机能够进行安全运转，须确保电机的转子能够拥有最为基本的强度，并且还要拥有耐高温、低损耗等特性。而要想达到这一目标，就必须从电机转子的结构与材料设计这两个方面入手。在电机转子材料的设计上，应选择具有较高矫顽力的永磁材料，这是因为这类材料本身就具有较小的温度系数，所以能够使电机转子维持在一个稳定的温度之上，其能够适应较高的温度，可应用范围极为广泛。同时，具有较高矫顽力的永磁材料往往还具有较好的抗压性能与抗挠强度，能够承受住高速永磁电机在运转过程中产生的离心力。而在电机转子结构的设计上，则可以利用以下两种结构:表贴式结构与两极圆柱永磁结构，这两种结构在使用过程中，对电机转子材料能够进行很好的保护。

1.2 对电机定子设计的分析

电机定子是高速永磁电机最为重要的散热通道，也正因如此，当高速永磁电机发生损耗时，其往往也是出现在电机定子之上，此外，电机转子的损耗与电机定子的结构、材料都有着十分重要的联系。所以，要想确保高速永磁电机的安全稳定运行，就必须做好电机定子的结构设计与材料设计。在电机定子结构的设计上，我们可以选择环形绕组这种结构方式。这种结构方式最大的优势在于该种定子结构模式下，其绕组往往处于电机的轭部，因此，大大缩短了对电机转子长度的需求，并且电机转子的刚度也有所提高。尤其环形绕组结构还具备很多内外槽，而这些内外槽恰恰能够辅助电机定子进行散热且能够成为电机又一散热渠道。但在这种结构下需要注意的是，此种齿槽势必使电机转子的损耗进一步加大，所以，为了能够更好的降低损耗，应增加高速永磁电机的气隙长度。而在电机定子的材料设计上，则应该选用厚度小于0.2mm的无取向硅钢片。

2 对高速永磁电机分析技术的综述

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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碍了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。

3 结语

众所周知，正是因为电机定转子材料与结构是高速永磁电机设计的主要内容，所以，要想做好对高速永磁电机的设计与制造，就必须要从对电机转子与定子的设计入手，就高速永磁电机的设计技术进行分析，并且从电机损耗、转子强度、温升计算这三个角度入手，对高速永磁电机的分析技术展开综述。也只有如此，才能够更为清楚地对高速永磁电机进行剖析，从而为电机设计工作者在今后高速永磁电机的相关设计技术上提供全新的思路，以期能够不断的完善高速永磁电机的相关技术，使高速永磁电机得到更为广泛的应用。

[1] 董剑宁，黄允凯，金龙，等.高速永磁电机设计与分析技术综述[J].中国电机工程学报，2014，34(27):4640-4653.

[2] 雎黎.高速永磁电机设计与分析技术综述[J].科技风，2015，(05):30.

[3] 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，(01):255-256.

[4] 郭思源.永磁电机磁场解析方法及其应用研究[D].武汉:华中科技大学，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

唐庆军(1982-)，男，硕士，助理工程师。

TM351

B

1674-8646(2016)22-0046-02