高速永磁电机设计技术

徐斌

无锡欧瑞京机电有限公司 江苏无锡江苏无锡214000

摘要：高速永磁电机与传统的电机相比有明显优势，如：效率高、体积小、稳定性高等，已经在日常生活、航天、国防等领域得到广泛应用，且发挥出了非常重要的作用。随着电机节能工程的深入发展，应用效率高、能耗低等设备的应用范围越来越广，这对高速永磁电机设计也提出了较高的要求。因此，本文首先阐述了高速永磁电机的设计技术，并对高速永磁电机技术进行全面分析，以期为该技术的完善提供指导意见，促使该技术能够在更多领域得到广泛应用。

关键词：高速永磁电机；永磁电机设计；技术分析

引言

高速永磁电机是精密制造业常用的设备之一，已经在工业领域受到了广泛重视。高速永磁电机的电机转速超过了1000r/min，在体积、功率密度、动态响应及系统传统效率方面具有明显优势，主要应用在高速机床、空气循环制冷系统及储能飞轮等行业，已经成为国际电工领域的研究热点。虽然高速永磁电机与其他电机相比转速较高，但是在运行过程中仍然存在一些问题，如：变频率高、电机绕组和定子铁芯损耗高、电机发热明显等。所以，本文结合从高速永磁电机的定转子结构和材料方面提出了相应的改进措施，希望能够对高速永磁电机的运行质量起到改善作用。

一、高速永磁电机设计技术

（一）电机磁悬浮轴承技术

高速电机与传统的电机区别很大，所以不能使用常规的机械轴承，而是要使用非接触类的轴承。采用这类轴承能够适当调高转速，减少摩擦过程中的能耗，不用使用润滑剂，并且轴承的使用寿命长。磁悬浮轴承技术属于高新技术，虽然刚刚进入适用阶段，但是势必会在高速电机领域得到广泛应用。磁轴承系统的运行原理.

（二）电机定子的设计

电机定子实际上就是高速永磁电机设备的散热器，电机在运行过程中，各种损耗会产生一定的热量，这些热量通过对流和辐射的方式向周围的冷却介质进行发散，所以定子的材料和结构也是高速永磁电机设计的重要内容。目前，高速永磁电机中的定子结构主要是采用环型绕组结构，这种结构需要缩短定子的结构，进而提高定子的韧性。但是电机在运行过程中，齿槽会对转子造成一定的损耗。所以为了降低损耗，环型绕组结构的电机会利用增加气隙的方式减少转子的摩擦，以此来降低电机的温升[1]。

（三）电机转子的设计

高速永磁电机运转阶段，转子会在电磁效应的支撑下实现高速旋转，在这个过程中转子会形成非常大的离心力，所以必须要保障转子零部件的强度等级。永磁体主要是通过镶嵌的方式，而固定永磁体的螺栓和螺母等零件在安装过程中，可以采用螺纹锁固剂和碟簧垫圈进行加固处理，防止电机高速旋转造成零件脱落。风阻摩擦和其它损耗均会造成设备温度升高，很容易是永磁材料消磁或者减少材料的使用寿命，要想保证电机设备运行的稳定性，除了要考虑转子的强度等级是否符合要求之外，也要使用损耗低且耐高温的永磁材料。选择这种材料主要是因为这种材料的稳定性较高，并且还能保证转子温度的稳定性，这种材料对温度的实用性较强，所以即便是在高温环境下同样能够应用这种材料。除此之外，这种材料所承受的离心力也非常大。

二、高速永磁电机技术分析

（一）转子强度分析

为了避免离心力对电机转子造成破坏，一般在分析结构简单的转子强度时，所掌握的永磁体及应力分析结果准确性较高。如果是对结构较为复杂的转子强度进行分析时，可以简化分析对象，并采用FEM这种有限元分析方法重点分析材料的性质。

（二）损耗计算分析

在对高速永磁电机进行分析时，电机的损耗计算分析是非常重要的分析内容之一。高速永磁电机在运行过程中，必然会使电机转子产生损耗，为了保证损耗计算结果的准确性，可以采用比损耗法分析定子的铁耗，然后在根据相应的经验系数调整最终的分析结果。

（三）温升计算分析

采用LPTN温升计算法进行分析，可以将高速永磁电机温度最为相近的部分作为特定节点，并通过热阻模拟的方法对各个节点之间的传热关系进行研究。通过这种方法计算电机的温升情况，必须要合理控制电机各个阶段之间分布的离散情况，这样才能保证最后计算结果的真实性和有效性[2]。

采用CFD温升计算方法进行分析，主要是通过冷却体流量和传热等参数对电机的温升结构进行研究，采用这种计算方法并不需要太多的工作经验，该计算方法最终得出的研究结果准确度很高。

采用FEM温升计算方法进行分析，主要是利用二维或者三维的方法对电机进行建模，然后再根据模型的损耗和传热参数进行研究，最终计算出高速永磁电机的温升。通过这种方法计算电机的温升，更加依赖电机的传热参数，传热参数的准确性直接关系到最终的计算结果，所以必须要对传热参数的准确性进行严格控制，才能确保最终的计算结果准确无误。

三、高速永磁电机设计技术的优化路径

（一）电机转子的结构和材料

转子是高速永磁电机最核心的零部件，转子的结构和材料直接关系到永磁电机的转速水平和震动效率，所以高速永磁电机设计过程中，转子结构和材料的选择成为关键内容。电机的永磁转子在高速旋转过程中，转子部件对磁场强度、机械强度、动态平衡及涡流损耗都提出了较高的要求。

上述内容已经提到，为了降低损耗会增加高速永磁电机的气隙，但是气隙增大之后就可能会对高速永磁电机的磁场强度造成影响，所以一般情况下永磁材料会选择矫顽力较强的钕铁硼或者钐钴。钕铁硼材质的抗压能力和抗挠性能较强，钐钴的温度系数较高，具备良好的散热性能。但是这两种材料也有缺点，抗拉强度不符合要求，所以需要与强度等级较高的材料和结构共同保护永磁体，才能确保电机运转的稳定性。

从安装方式的角度进行分析，高速永磁电机的转子可以划分为内置式转子和表贴式转子，结合我国现有的文献表述发现，高速永磁电机中最常见的结构便是表贴式结构。将永磁体覆于轴或者转子铁芯的表层，然后在外层安装转子保护套进行保护。最常见的转子保护套基本上都是碳纤维材质或者玻璃纤维材质，这些材质属于高强度纤维，其中碳纤维材质的保护套应用最为广泛。例如：格力集团的很多电器都是采用碳纤维材质管对电机转子进行保护，而北京蓝科电动汽车公司同样是采用碳纤维捆绑的方式对永磁电机转子进行保护[3]。

造成转子涡轮损耗的原因主要包括谐波和齿槽，所以高速永磁电机在设计过程中，为了降低转子的损耗率，也会将永磁体从径向或者轴向角度进行分段处理。例如：GE公司重点对护套轴向分段和表面覆铜进行研究，希望以此来降低转子的涡流损耗。

（二）优化定子结构

高速永磁电机在运转阶段，必然会对电机定子造成一定的损耗。我国学术界的相关研究都是围绕着如何降低定子铁耗和铜耗，同时还要考虑如何通过增强定子的散热性能来提高电机运行的稳定性。除此之外，如何缩短高速永磁电机转子的轴向长度、缩短定子绕组结构端部的长度也成为研究的热点话题。为了降低定子的铁耗，青岛的阿莫泰克公司将非静止合金粉末和球形软磁粉末融合在一起，制作成了分割铁芯。虽然这两种材料融合在一起制作的材料铁耗较低，但是这种材料的饱和磁感应强度较小，只能应用在铁芯磁通密度较小的高速电机中。

广东的威灵电机制造公司在优化定子散热结构时，改造了定子轭和定子齿的外观，不仅能解决定子轭部上绕线困难，还能解决散热难题。高速永磁电机主要是采用环型绕组结构，这种结构既能缩短绕组端部的长度，又能将铁芯轭部与外侧连接在一起，不仅降低了电机的噪音，还能增强电机运行的稳定性。

（三）优化轴承结构

高速永磁电机是否能够安全运行，与轴承有直接关系。高速永磁电机中常用的轴承主要有以下几种类型：滚珠轴承、空气轴承、磁悬浮轴承等。电机设备在旋转过程中，轴承很容易出现震动、轴向位置窜动以及快速升温等问题。

面对轴承震动的问题，三星电机株式会社在轴承的支架上增加了流体槽，主要是通过电机运转过程中形成的气压对轴承震动进行控制。广东省的威灵洗涤电机企业在第一轴承和第二轴承之间又增加了第三轴承，主要是为了吸收输出轴运转过程中所产生的冲击力和回声，以此来实现降低震动的目的。

为了解决轴向窜动的问题，戴森技术公司在第一轴承和第二轴承之间安装了弹簧装置，并对弹簧的长度和弹性系数做出了明确要求，以此来防止轴承出现打滑的问题。而广东的威灵电机公司在转子的磁环安装部与轴承安装部之间增加了轴肩，主要是为了增加轴向预紧力。

为了解决轴承的散热问题，Vorwerk公司认为轴承容纳部分主要是由环型外部区域和两个径向面向内的腹板共同组成，利用两个腹板和支撑之间的空气通道就能形成环形外部区域，该区域就可以成为冷却空气的流道[4]。

（四）优化转子护套

高速永磁电机一般是选用类似于冶金粉末的永磁材料，虽然这种材料能够承受较大的压应力，但是拉应力却无法满足要求，所以在这种情况下永磁材料的抗压强度要高于抗拉强度，如果不采取相应的保护措施，永磁体很难承受电机设备高速旋转过程中所产生的离心力。针对这种情况采取的保护措施就是在永磁体外部增加保护套，保护套的材质不具备导磁性能，但是强度等级很高，永磁体和护套之间相互配合，护套的主要作用就是在转子保持平衡状态时，能够使永磁体同样具备承受压应力的能力，从而对电机高速运转过程中离心力所形成的拉应力进行补偿，确保永磁体能够将拉应力控制在自身能够承受的范围内。至于如何控制永磁体施加的压力，如何控制永磁体和护套之间的过盈量，就需要结合永磁电机转子结构和转速的范围及材料的性能，对转子强度进行分析，并经过准确的计算才能得出最终结果。使用不具备导磁性能的合金钢材质护套，最突出的优势在于：对高频磁场进行屏蔽，具备良好的导热性能，增强永磁体的散热性能等。但是这种材质的护套也存在一定的缺点，如：护套具备导电性能，自然会造成一定的损耗，但是如果将合金钢材质的护套换成碳纤维材质，虽然缩减了护套的厚度，也能降低损耗，但是碳纤维不具备导热性能，自然也会影响到转子的散热性能。因此，可以永磁体的绑扎带换成碳纤维材质，在外部增加一层具备导电性能又不导磁的金属材料，这样既能降低损耗，又能屏蔽高频磁场[5]。

结语

总而言之，对高速永磁电机进行设计和分析的过程中，要先对电机的材料和结构进行分析，并且还要从多个方面对高速永磁电机设计进行优化。如今，高速永磁电机已经在社会各个领域得到广泛推广和应用，从某种程度上也提高了该电机设备的生产效率和可靠性。然而，高速永磁电机的转速较高，在运行过程中容易对转子结构造成破坏。因此，必须要对高速永磁电机设计技术进行分析，从多个角度对高速永磁电机结构和材料、定子结构、转子护套等进行优化，才能充分发挥高速永磁电机的应用效果。随着我国科学技术的发展，高速永磁电机的技术会不断进行完善，在经济领域和工业发展当中也会应用的更加普遍。

参考文献

[1]唐龙庆.高速永磁电机结构设计及损耗分析[J].防爆电机,2023,58(02):13-16+58.

[2]王晗. 高速永磁电机损耗与温升的抑制研究[D].沈阳工业大学,2022.

[3]许海波. 高速永磁电机涡流损耗分析及温度场仿真[D].沈阳工业大学,2022.

[4]刘栋. 超高速永磁电机转子损耗和散热研究[D].沈阳工业大学,2022.

[5]邱旭. 高速永磁电机损耗的计算分析[D].沈阳工业大学,2022.