高速永磁电动机设计的关键问题

高晓峰 杨欢 刘丹

摘要：高速永磁电机已经进入到工业领域中，并作出了极大的贡献，如精密制造、能源开发与航天航空等，应用范围还在不断扩大。本文首先阐述高速永磁电机的特点，而后针对设计环节的关键问题，展开研究，具体分析材料选用、定子铁耗、转子设计与轴承设计等方面的关键事项，以此来了解高速永磁电动机，确保其能够在各种不同的作业场景下得到有效应用。

关键词：高速永磁电动机;设计;关键问题

高速电机的优越之处主要体现在并不需要依靠过于复杂的变速装置，能够直接连接原动机或者高速负载装置，可靠性良好，运行效率高，体积相对比较小且具有比较高的功率密度，运行成本并不高，在压缩机、鼓风机以及高速机床等多种领域中都有良好的应用前景。现探讨设计高速永磁电机时必须重视的关键问题。

1高速永磁电机的技术特点

高速永磁电机与普通的高速电机在功率密度方面有明显的差异，前者具有极大的功率密度，定子上的散热面积很小，相对地损耗密度更高，转子需要面对涡流损耗、风磨损耗造成的大幅度温升以及持续化的高速转动形成的离心力，所以设计这种电机时，需要重视定转子的结构与构成材料的选择。同时电机必须具有良好稳定的散热功能。由于这种电机常常需要面对高频率运转的工作场景，所以其电机损耗实际分布情况与损耗特性与普通电机不同。其受到温升影响的同时，还会因此而出现失磁的问题，需要精准地控制转子温升。普通电机轴承无法在高速电机中发挥作用，主要是受到摩擦发热现象与离心力的影响，因此要结合实际的技术条件与工作场景为永磁电机选择合适的轴承。转子在高速电机系统中必须承受热应力与离心力，因此所用的永磁体具有的抗拉强度很低，设计时应重视转子强度，其使用的支承系统相对复杂化，进行高转速运行时，转子会在共振与不平衡作用下，形成大幅度振动，情况严重时，转子还会产生变形的问题，降低电机设备的安全性，维修现场操作人员的安全，所以要通过动力学理论来解决转子设计问题。

2选取材料

2.1选择铁心材料

高速永磁电机往往要连续保持极高的工作频率，因此定子铁心的损耗量比较大，且其影响电机设备的发热性能与运行效率，在一定成本条件下，优先选择损耗较小且厚度偏薄的硅钢片材料;如果成本方面的设计要求较为严苛，则可以选择复合型的软磁材料，这一材料经由粉末冶金技术制造，主要组成部分为金属粉末状颗粒，其表面具有绝缘性，这种材料不仅具备稳定的各相同性磁性能，还可通过压制工艺将其制备成形状复杂的部件。材料的物理結构与涡流损耗直接相关，尽管损耗比较小，但是相比普通的硅钢片，其磁滞损耗过大，在高频运行环境中有更好的使用效果。生产期间，这种铁心材料依靠模具完成压制处理工作，而硅钢片需要采取切片叠压工艺，进行大规模生产活动时，前者更利于降低成本。

2.2选择永磁材料

基于控制高速电机设备的整体尺寸的设计目标，往往会选择运用高性能型永磁材料，包括烧结的Smco和NdFeB。而在高速永磁电机设备之中，其风耗与摩擦损耗同样非常高，在运行条件的制约下，转子难以有效散热，因此永磁体需要面对高温作业环境。温度给永磁材料造成的影响集中体现在其性能方面，进行永磁材料的选择时，必须要注重温度稳定性，做好温升计算的准备工作。

3定子铁耗

普通型永磁电机与高速型永磁电机在电子结构方面具有一致性，基本没有差异。受到运行频率的影响，定子铁耗远大于铜耗，普通型永磁电机主要通过交流异步电机来正确计算铁耗。计算时需要掌握的信息包括铁磁材料的轭部铁耗与齿部铁耗，轭部与齿部体积以及经验系数，这种方法相对粗糙，只能计算低频率运行的永磁电机的铁耗，但是高速永磁电机具有较高的工作频率，难以得到高频运行条件下的硅钢片的损耗曲线，气隙磁密可能并不是按照正弦分布，因此计算结果具有较大的误差。

铁磁材料的主要损耗类型分别是异常涡流损耗、经典涡流损耗与磁滞损耗，运用有限元时步法计算的方法，获得一定电角度周期中对应的磁密波形，重点在于确定损耗系数，硅钢片内部的磁密具有交变的特点，当方向一定时，磁密大小会依照正弦规律发生变化的。将铁耗系数导出后，在交变磁化情况下完成计算铁耗的工作。实际上，电机定子具有极其复杂的磁化状况，部分为椭圆形或者圆形的旋转磁化，还有的属于交变磁化，磁密的实际方向与大小都形成了变化。铁耗的实际计算系数在旋转磁化与交变磁化两种条件下是存在区别的，考虑到缺少测试铁耗处于旋转磁化情况的具体结果的装置，可对旋转磁化进行分解，从不同的方向上计算交变磁化，使来自不同方向上的多种磁密变化被简化。

4转子设计

4.1转子尺寸

转子在保持高速旋转的动作时，必须对形成的离心力进行承受，且离心力比较大，因此必须严格控制转子直径尺寸，虽然应当设置偏小的直径，但是也不可过小，如果电机为细长型，转子直径过小会导致强度达不到标准，转子尺寸不仅与转矩相关，还和谐振频率有一定的关系。进行谐振频率的设置时，应当考虑到电机运行频率，可对高速轴承部件的尺寸进行借鉴。

4.2极数

选定电机极对数时应当综合考虑多种不同的因素，包括成本、转矩、功率与转速等。极数少与极数多的电机各有优点，同时也各有劣势，进行设计与选择时必须综合对比两种电机的情况，极数偏少的电机具有很高的铁心使用率，容易实现制造与加工，但是每极磁通都很大;基于避免轭部磁路出现过度饱和的情况，需要确保轭部厚度数值足够大，极数少的电机与极数大的电机情况安全相反。考虑到铁耗方面的问题，若电机的极数小，整体运行频率不高，对比极数高的电机，整体尺寸更大，因此不能认定小极数电机形成铁耗必然也小，还应结合铁心磁密的实际大小与转速进行选择。不考虑铁耗的前提下，如果极数比较大，功率器件需要进行更多次的开关，增加开关损耗，一般大极数型电机具有的转矩密度也很大。

4.3转子拓扑结构分析

电机气隙磁场的大小与波形是由转子所用的结构决定的，以往的永磁电机制造与设计工作中已经形成了不少具有典型特点的转子结构，其在实践应用过程中得到有效检验，因此可直接对这些转子结构进行选择，当永磁体的体积相同时，表面贴装型结构往往能够获取出力最大值，进行高速旋转动作的转子应当保护永磁体，以此来实现对脱落现象的预防，可通过碳纤维进行捆扎，或者使用不锈钢材质的保护套;而使用内嵌型结构时，不需针对永磁体实施保护措施，但是加工转子的过程较为复杂;表面贴装式结构是高速永磁电机中使用的比较多的转子结构。

5轴承设计

轴承在高速电机设备中有着极强的重要性，其会影响到电机设备的性能，磁悬浮轴承、气体润滑/液体润滑轴承、角接触球/深沟球轴承等能够被应用到电机的高速工作场景中。角接触球与深沟球轴承都是滚动型轴承，应用时能够表现出极强的可靠性，成本也很低，所以这两类轴承的使用范围很广;工程陶瓷材料在近几年的材料市场上以极快的速度发展，优点包括弹性模量相对偏大、膨胀系数比较低、密度低、不具备磁性，同时兼具耐腐蚀性、耐高温与耐磨等优秀特性。陶瓷材料被用到轴承制造中，制造出的电机轴承可以更好地在高精度与高速场合中发挥作用。在流体润滑理论的基础上开发出气体润滑与液体润滑轴承，其主要借助气体或者液体的弹性垫来提供支撑作用，对比滚动式轴承，其可用时间更长，效率更高且不会产生摩擦作用，能够满足更高转速的场景使用需求，缺点是成本过高。

磁悬浮式轴承依靠磁场力来对物质进行支撑，不仅不依靠摩擦作用，同时也不需要进行润滑，更不会受到使用条件上的限制，可以通过动态调节的方式，来完成对平衡、刚度与阻尼的调节。控制系统、功率系统、位置传感器、绕组是主动型轴承的关鍵组成部分，通过5轴控制体系来维持转子的正常高速旋转状态，具体包括轴向轴承与径向轴承。相比其他几种轴承，磁悬浮轴承拥有更加复杂的控制体系，整体体积很大，需要有传感器、电力系统的支持，制造与应用成本极高。

6结论

高速永磁电机与普通型永磁电机之间有诸多差异，具体体现在轴承选用、转子结构、铁耗分析以及可用材料等方面。在实际进行高速永磁电机的设计工作时，应当充分把握设计要求，以电机未来需要面对的工作场景为准，设计合理的机械结构，着重分析热场与电磁场等问题，确保设计出先进、性能卓越且具有经济优势的电机设备，并不断引入新技术，强化这种电机的应用可行性。

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