高速永磁电机的综合分析与设计

罗奇栋　陈丹妮

摘 要：随着我国科学技术的不断进步，高速永磁电动机也迎来了全新的发展。当前高速永磁电动机的应用范围非常广泛，涉及领域有航空航天、新能源应用、精密仪器制造等等。但是，在应用过程中，依然存在很多问题亟需解决，如电磁的干扰、机械的匹配和温升的物理限制因素等。在此，本文将结合非晶合金的材料对其进行设计上的思考，利用多物理场的研究方法对其进行整体性的试验，并详细分析高速永磁电动机中关于转子应受力的范围和转子系统临界转速对于轴承支撑刚度的要求以及高速非晶合金在永磁电机中的损耗分布等特征。笔者希望通过此次研究可以有效印证高速永磁电动机的设计理念，并且可以为将来的研究提供可靠的参考依据。

关键词：告诉永磁电机;非晶合金;设计方法;多物理场

高速永磁电机具有体积小、功率高、密度大的特点。因此被广泛应用于各个生产制造领域中。但是，高速永磁电机自身的转速是影响其工作性能和工作效率的一大要素。在高速永磁电机旋转的时候，会造成永磁电机内置的铁心损耗。为有效解决这一问题，就必须要对内置铁心进行材料上的代替与更换。在此，就以非晶合金材料对其进行相应的设计，以此来提高高速永磁电机的工作效率，降低电动机自身转动的损耗，从而有效弥补高速永磁电机的缺陷。

一、多物理场理念的基础设计思路

若想利用非晶合金材料对电机内置装置进行升级与改造，必然会受到多物理场的影响和干扰。比如：电磁的干扰、机械的匹配以及温升的物理作用等。所以，如果想对电机进行更加完美的升级与改造，必然需要考虑各种物理因素，并且实现其耦合迭代的作用。在此，可衍生出关于多物理场理念的基础设计思路：第一，选取电机规格，考虑临界转速和材料强度。第二，结合基础法理测试损耗量以及温升反应，并对机械匹配进行研究，以此完成电机的框架设计。第三，利用有限元计算模型对其进行检验。

二、电机电磁设计需要考虑的因素

（一）非合金材料以及电机性能参数

通过对大量参考文献的研读以及对国内外高速永磁电机升级改造相关内容的分析，在此得出结论为：非晶合金材料的特点是脆、硬度高、薄。非晶合金材料的厚度仅仅为0.025毫米，在这一厚度范围之内，可以有效控制电机高速运转过程中对于铁心的损耗。

（二）非晶合金的永磁电机极槽配合

非晶合金和平常的钛合金相比较，其材料性质更加敏感，且对加工工艺的要求也更高。在加工过程中，工作人员稍有不慎就会导致非晶合金材料的损坏和局部的恶化。经过大量的数据分析之后得出：当永磁电机的规格和大小以及尺寸不出现较大变化时，槽的宽度会随着电机槽数量的增加而不断地缩小。当定子槽宽度缩小之后，便會导致整个加工作业流程扩大范围，并且会对永磁电机的齿部造成巨大的损害。为有效防止这一问题的发生，需要操作人员在加工的过程中把握定子齿数的数量以及损耗程度，并且要选取齿宽较大的、槽数较少的结构进行相互配合。但是，少槽一般又是引起永磁电机损耗增加的第一原因，而且会使其产生巨大的热能无法释放，在热量释放不出的情况下，便会导致转子的温度急剧上升，甚至会使永磁电机出现退磁的情况。

三、高速内置式永磁转子设计思考

（一）永磁转子受力

在高速永磁电动机运转的过程中，转子的表面会出现极强的离心力，如果将该离心力应用在转子隔磁桥之上，就会导致隔磁桥出现扭曲变形，并且会让隔磁桥承受巨大的力。这一状况最终所导致的结果就是：极有可能引起隔磁桥的功能故障甚至是完全坏死，从而导致高速永磁电动机无法正常工作以至于完全瘫痪失灵。

（二）强度有限元分析

经过前期对于相关数据的分析与研究，以及对国内外参考文献的研读和思考，在此我们得出以下结论：对于永磁电机的整体设计，需要从转子方向入手，并且要对转子的每一极永磁体进行相应的强化与巩固，从而使其成为一个两段式的结构体现。通过这样的方法，第一可以有效强化永磁转子的机械韧性与强度，并且还能提高永磁电机的工作效率。第二可以大大降低永磁电机在高速转动过程中因为转矩输出的巨大动能而造成的电机消磁和漏磁现象，以保障永磁电机的正常工作。

四、转子的临界转速

在永磁电机转动的过程中，电机中的转子各微段质心无法实现全部正确处于回转轴上，所以在转子转动的时候，会发生横向干扰的情况，甚至在特殊情况下转动过程中还会出现电机系统的剧烈抖动现象，以上情况在此均统称为是“临界转速”。为了有效确保永磁电机的正常运转，并且可以正面回避电机系统因为剧烈抖动而产生的损害，操作人员在对其进行操作的过程中要注意控制转子工作的速度，尽量避免使其接近临界转速的点。因为转子的形状非常复杂。所以，对于临界转速的计算可以通过近似数以及约等于的方法来进行。在此，对于精度的要求并不是很高，操作人员便可利用瑞利法对其临界转速进行一阶近似值的计算。此次研究过程中的永磁电机转子系统属于两端滚动的轴承支撑结构，永磁轴承的动态特征和具体参数是印证轴承刚度的有力证据。此外，电机的大小和规格变化也是直接影响轴承和转子系统临界转速的一个重点。

五、高速永磁电机温度场

（一）物理建模

对电机中的铜线绝缘漆以及浸漆状态进行过详细的分析之后，便可把槽中的两层铜线作为单独的导热线进行利用，另外，可以将其他的绝缘材料当做是一个较为庞大的导热体。在此基础上，高速永磁电机的转子便可以进行高速度的旋转，同时还可以通过转子的旋转带动起空气的流动，促使其气隙更加流畅，此时定转子也可以利用对流的趋势实现热能的交换。为了再次对其计算过程进行简化，操作人员还可以利用引导气隙的方式进行导热系数的计算，并且可以对气隙进行高效的控制与处理，以实现对旋转中的转子进行静止状态的处理。

（二）热源温度

非晶合金材料与传统的钛合金材料和其他材料想对比具有明显的优势。特别是对于热平衡的实现能力，以及降低电机损耗的能力是其他材料所不能代替的。因为非晶合金和高速旋转的个属性，促使电损耗的分布发生了变化，使其特征不同于常规模式下的电机。因此，电机的损害就会在电机内部产生巨大的热量，并且可以将进行有效的交换与传导，从而始终保持热能的平衡。

六、结束语

此次研究重点分析了非晶合金在高速永磁电动机内置装置升级与改造的方法，提出了如何改善永磁体抗温升的方法以及抗强度的策略。但是，源于当前制作工艺对于非晶合金材料的制作水平，需要通过长期的优化与完善才可以实现该研究计划的全面落实与执行。在转子的强度方面，虽然很多软件和系统都可以对其进行临界转速的计算，但是因为转子在转动过程中会受到多物理场的影响，所以还需要相关研究人员对其进行物理方面的干预，使其计算结果更为准确，设计理念更为成熟。

参考文献：

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[2]戈宝军，刘海涛，王立坤，林鹏，陶大军，于岚.LNG泵用低温高速永磁电机三维电磁场与涡流损耗的分析计算[J/OL].中国电机工程学报：1-10[2019-10-10].