高速永磁电机设计技术探讨

薛源 郭俊涛 杨艳红 赵国华

摘要：随着近几年科学技术的迅猛发展它也得到了越来越多的应用。相比于普通电机，虽然设计原理一样，但是，高速永磁电机拥有更多的优势，如转速更快、体积更小、工作效率更高、成本更低。高速永磁电机的高转速却造成一些问题，目前其设计工作的重点在于定子与轉子的设计，而其分析技术工作的重点在于电机损耗、转子强度和温升计算。

关键词：永磁电机;设计;分析技术

引言

高速电机通常指转速超过10000r/min的电机，其具有体积小、功率密度大、动态响应快和系统传动效率高等特点，在高速机床、空气循环制冷系统、储能飞轮等领域具有广阔的应用前景，是国际电工领域的研究热点之一。

在现有的各类电机中，成功实现高速化的主要有感应电机、内转子永磁电机、开关磁阻电机以及外转子永磁电机和爪极电机等电机类型。其中，高速永磁电机（highspeedpermanentmagnetmotor，HSPMM）由于其控制特性好、效率高、功率密度大等优点，在高速领域的应用日益广泛。高速永磁电机由于其转速较高，存在着一系列特殊的问题，需要进行深入研究。例如，高速电机中磁通交变频率很高，在电机绕组、定子铁心中产生较大的铁耗和铜损，同时，也导致电机发热严重;电机转子随转轴高速旋转，不仅会产生较大的离心力对电机转子结构进行破坏，还会因为不断摩擦产生高温;轴承支承转子旋转，由于转速高，且受离心力、摩擦发热等的影响，普通电机轴承不能直接用于高速电机;高速电机在高速运转时，不可避免地会产生一定的噪音，噪音会降低应用场合的舒适度等。

1高速永磁电机设计技术

1.1电机磁悬浮技术

传统电机中轴承采用的都是机械轴承，而机械轴承具有摩擦过大、功率损耗较大的缺陷。高速永磁电机不再使用机械轴承，而改用一种非接触类型的轴承。运用这种非接触类型的轴承，电机的使用年限得到延长，作为一种目前仍然处于试用阶段的新型技术，磁悬浮技术会逐步应用到高速电机领域。

1.2电机定子的设计

简单地说，定子在电机中的作用就是给电机散热，设计电机时，选择合适的定子也是一项重要工作。目前，定子大多采用环形绕组式结构，这种结构能够大大减少电机轴向的需求长度，提升转子的韧度。同时，在这种定子结构中设计多个齿槽，这些齿槽能够起到一定的散热作用，确保定子能够持续处于正常温度。需要注意的是，电机高速运转时，齿槽会使转子的耗损增加。为了使这种损耗较少，通常情况下，这种电机都会增加气隙的长度进行散热。设计材料时，一般会采用常见的0.2mm厚度以内的硅钢片，以减少铁芯上的磁滞损耗。

1.3电机转子的设计

根据永磁电机原理可知，在电磁效应的作用下，转子会进行高速旋转，其间速度很快，会产生一个巨大的离心力，因此转子的强度要求很高。同时，运转过程中温度很高，电机中的转子特别容易遭到破坏，这样会严重影响电机的运行。所以，设计要确保电机转子的强度，保证转子材料能够耐高温、损耗低。为了达成这个目标，要对转子的选材和结构进行设计，通常选择适应性较强的永磁材料。原因是永磁材料的温度系数较小，同时永磁材料提供电机运行的主磁路，转子铁芯中谐波不是很大，这样转子的温度不会太高，可以维持在正常的范围内。除此之外，这种材料还具有特别优秀的适应能力。

2轴承结构

高速电机的安全稳定运行与轴承可靠性密不可分。目前，在高速电机中应用的轴承主要有滚珠轴承、空气轴承和磁悬浮轴承。在高速旋转的情况下，轴承会发生振动、轴向位置窜动、温度过高等问题。

2.1轴承振动

为了减小轴承振动，三星电机株式会社在轴承支架上设置有流体槽，利用电机旋转过程中产生的气动压力来减轻轴旋转时的振动;佛山市威灵洗涤电机制造有限公司在已有的间隔设置的第一轴承和第二轴承之间额外设置承载和吸收输出轴运转时的冲击力和回声的第三轴承，从而达到减振和降噪的效果。

2.2轴承轴向窜动

为了防止轴承发生轴向位置窜动，戴森技术有限公司在两个轴承之间设置具有一定长度和弹性系数的弹簧，以防止轴承打滑或力过载;广东威灵电机制造有限公司提出设置于转子的磁环安装部与轴承安装部之间的轴肩，便于对轴承施加轴向预紧力。

2.3轴承散热

为了提高轴承散热，Vorwerk公司提出了轴承容纳部分由环形外部区域和两个径向面向内的腹板组成，通过两个腹板和支承点之间的两个空气通道区域形成环形外部区域，该区域形成冷却空气的流道。同时，莱克电气股份有限公司在转子轴两端设置磁悬浮轴承，采用磁力作用将转子悬浮起来，该电机不存在机械磨损，其散热性能也好。

3问题解决策略

3.1对永磁材料的选取

对于电机中的永磁体来说，最重要的就是必须具备非常好的磁性能力，简单地说就是具备很强的适应能力，这样可以确保永磁体的性能最佳。另外，要使永磁体的工作温度一直维持正常，原因是在电机运行的过程中，高速旋转的转子会有大量损耗，而高速永磁电机的散热性不是特别好，因此要重点考虑永磁材料的选择。

3.2对永磁电机转子护套的设计

通常情况下，高速永磁电机都会选择类似冶金粉末的永磁材料，这种材料的一大特点就是能够承受一定强度的压应力，但是缺陷就是没有办法承受太大的拉应力，因此其抗拉强度都要低于抗压强度。如果不对其进行保护，那么永磁体就没有办法承受高速旋转造成的离心力。人们可以在永磁体外面添加一层强度较高的无法导磁的保护套，对永磁体进行保护，永磁体与保护套之间可以使用过盈配合的方式。保护套的作用就是在电机转子处在不旋转的静态平衡时，能够使永磁体承受一定的压应力，补偿转子高速旋转时伴随离心力而产生的拉应力。

3.3降低噪音

高速电机在高速运转时，不可避免地会产生一定的噪音，这些噪声主要包括机械噪声、空气动力噪声。

3.3.1机械噪声

产生机械噪声的部件主要有叶轮、框架和风道等。在叶轮的改进方面，主要包括设置导风片等引导气流的装置、对叶轮形状的改进，例如，将叶片分布成渐开线式结构，将齿形结构运用在定叶轮上，使用动叶轮等。在框架方面，戴森也对马达固定架进行了改进，固定架采用减小噪声的聚合物材料或声学迟钝材料制成，且在固定架上设置噪声衰减装置。对于外罩，莱克电气将用于安装电机的电机内罩悬挂固定在电机外罩中，而且电机内罩与电机外罩之间完全隔离，从而阻断了电机振动的传递路径，使得共振现象消失。

3.3.2空气动力噪声

空气动力噪声包括风扇、旋转的转子和气流沿风路流动时形成的气流噪声。改进风扇的结构和合理设计风路系统都可以降低空气动力噪声。例如，相互错开定、转子径向通风道，减少折弯以缩短进风风道长度等。

结语

与具有常速的普通电机相比，高速电机的转速和绕组电流频率均比较高，其单位体积定子的铁耗和铜耗显著增加，转子的高频涡流损耗和表面空气摩擦损耗皆有较大提升。因此，本文对高速永磁电机的设计和分析技术进行研究，并提出改进策略，旨在提升其应用水平。随着高速永磁电机设计和分析技术的优化，其发展前景必将更加广阔。

参考文献

[1]沈建新，郝鹤，袁承.高速永磁无刷电机转子护套周向开槽的有限元分析[J].中国电机工程学报，2012，32（36）：53-60.

[2]阿莫泰克有限公司.非晶质定子及利用该非晶质定子的电动马达.中国发明专利，CN103329399A，2013-09-25.

[3]孔小光，王风翔，刑君强.高速永磁电机的损耗计算以及温度场分析[J].电工技术学报，2012，27（9）：166-173.

中车永济电机有限公司 山西永济