高速永磁电机降低热损耗方法研究

闫 燕，曹亚军，侯亿森

(上海电机学院 商学院，上海 201306)

0 引 言

在科学技术快速发展的今天，效率的提高成为了技术进步的重要因素。与传统的电机相比较，高速电机不需要借助外部复杂传动装置，可以直接和高速原动机相连接，具有体积小、功率大、运行成本较低、传动效率高等优点，在飞轮储能、高速磨床、航天技术、离心压缩机等方面的应用很广[1-3]。高速电机的研究成为了国内外电机领域的热点之一。高速电机的主要特点是转子速度高、定子绕组电流和铁心中磁通频率高、功率密度和损耗密度大[4]。随着电机的速度加快，有很多的问题也随之产生了。主要问题是电机损耗、散热。普遍采用的方法就是改变电机内部的电磁设计[5]。随着新材料技术的不断发展，也可以通过改变电机的制造材料，达到降低损耗的目的。本文主要是介绍了永磁电机不同结构类型，然后阐述了电机定转子的发展。对永磁电机的热损耗问题进行了分析，最后分析了高速电机发展所面临的主要问题，展望了高速电机的发展趋势与前景。希望为高速永磁电机设计提供一定参考。

1 高速永磁电机发展情况

高速电机的转速一般超过10000 r/min，在高速旋转时，常规叠片转子难以承受巨大的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子结构[6-7]；对于永磁电机来说，转子强度问题更为突出，因为烧结而成的永磁材料不能承受转子高速旋转产生的拉应力[8]。所以需要寻找更加优良的材料设计永磁转子。永磁电机具有效率和功率因数高及转速范围大等优点，因此其在高速应用领域倍受青睐。国内部分高校开始研究高速永磁直流电机，拓宽了永磁电机的种类。但对高速永磁电机的研制一般是中低功率，对超大功率的永磁电机研究较少。永磁电机包括两种类型：外转子永磁和内转子永磁。

1.1 外转子高速永磁电机

外转子永磁电机的转子半径较大，一般用于重工业机械设备，可靠性与内转子相比较为欠缺，最新应用为永磁式外转子变频调速三相同步电动机[9]，效率比异步电动机高。

1.2 内转子高速永磁电机

内转子永磁电机具有转子半径小及可靠性强的优点，一般是高速电机的首选。国内内转子高速永磁电机的最大功率已达8 MW，转速15000 r/min，为面贴式[10]永磁转子，采用碳纤维保护套捆扎；最高转速的永磁电机为500000 r/min，功率为1 kW，转子表面线速度为261 m/s，采用合金保护套。

2 电机的定转子设计

高速电机在运行的过程中，会产生不同的损耗，其中以热损耗最为突出。永磁电机绕组中定子铁心的磁通交变频率很高，损耗将会随交变频率的增加而增加。转子高速旋转，永磁体承受高离心力作用，轴承摩擦力剧增，需要增加转子永磁体保护结构[11]，也会使转子内部温度升高。需要选择适合的定转子结构，降低热损耗,提高电机效率。

2.1 电机定子的设计

高速电机一般设计为2极或4极。对于2极电机，永磁体可采用整体结构，定子电流和铁心中磁场的交变频率较低，有利于降低高频附加损耗，定子槽数[12]有多槽、少槽和无槽3种方案可选择，如表1所示。

表1 高速电机槽型选择

因此，高速电机定子多选用多槽型，但高速电机频率高，高频下的定子铁心将产生较大的铁耗，通过合理选取定子铁心材料，可有效降低定子损耗，提高电机的电磁性能。

随着进一步研究发现，可以通过改变定子材料的方式，改变电机的运行效率。提出了一种非晶合金材料，该材料的单位铁耗远小于其他材料，但该种材料的饱和磁感应强度较低(为1.2～1.3 T)，适用于铁心磁通密度较低的高速电机。当电机的工作频率低于1000 Hz时，软磁复合材料单位铁耗值高于普通硅钢片，当工作频率高于2000 Hz时，软磁复合材料才能有效减小高速电机的铁心损耗[13]。

2.2 电机定子的发展

高速永磁电机转速高，为限制工作频率，极对数一般选为1或2。当电机功率较高，转速稍低时，也可选择较高的极对数[14]。极对数选为1时，常采用定子轭部内外都开槽的冲片结构[15]。这种结构的定子，绕组环绕在电机轭部，极大地减小了端部长度以及转子所需长度，提高了转子刚度。同时，内外槽中除绕组区域外的空间均可作为散热风道，提高了定子散热能力。极对数选为2时，很少采用。另一种解决方法是采用无槽定子。无槽高速永磁电机的电枢反应小，降低了转子损耗和去磁风险[16]。

随着时代的发展，越来越多的新型材料可以用于电机定子的设计。软磁复合(Soft Magnetic Composite，SMC)材料也受到了广泛关注。由于制造技术还未成熟，非晶合金定子的电机多采用简单的无槽结构。定子采用SMC材料的高速永磁电机工作磁密一般较低，结构通常有无槽结构[17]和爪极结构。

2.3 电机转子的设计

电机常采用闭口槽，其中闭口槽类型主要有圆孔槽、水滴槽、矩形槽3种如图1所示。圆孔槽的优势是对转子铁心上应力的分布影响较小，可保证转子具有较高的机械强度，工艺简单、成本低，而缺点为转子磁通密度易产生局部过大，导条电流密度过高，转子铜耗较大。水滴槽和矩形槽是在圆孔槽之上改良的，可有效减小转子磁通密度，同时增大了导条面积，减小了导条上的电流密度，具有较小的转子铜耗，但机械强度低于圆孔槽[18]。

图1 转子槽型

在高速永磁电机中，常用的转子结构主要为表2所示。

表2 永磁电机常用转子结构

因此，永磁电机磁体分段和增加保护套都会降低转子应力，使得电机运转的可靠性增加。缺点就是散热性太差，影响磁体磁性。需要进一步研究新型永磁体材料，同时要制作散热性更好地保护套材料，降低热损耗。

2.4 电机转子的发展

在转子的设计上，一般采用铜材料。在保证机械强度和降低铜耗的情况下，应选择电导率较大的铜合金。

2.4.1 转子永磁材料的发展

随着技术的进步，永磁材料应用到高速电机的设计中，常用的永磁体材料主要有NdFeB[21]和SmCo[22]。

表3 永磁材料类型

由表格可知，NdFeB是理想的永磁材料，但受到温度影响较大，作为永磁体会使转子磁性受到影响，影响效率；SmCo若要增加保护套厚度，则会导致制作成本变高。

随着新材料的发展，永磁材料领域的热门研究方向是新一代永磁材料钐铁氮(Sm2Fe17Nx)，钐铁氮材料具有饱和磁化强度高(1.54 T)、居里温度高(470 ℃)、成本低(不受限于战略物资金属钴)的优点。

2.4.2 转子保护材料的发展

保护材料一种采用高强度非导磁护套(如Inconel718[23]、钛合金等)，另一种是采用碳纤维等高强度纤维捆扎。由于合金材料的电导率较高，电机空间谐波和时间谐波会产生较大的涡流损耗。采用碳纤维捆扎时保护套厚度和高频涡流损耗较小，但碳纤维是热的不良导体，不利于永磁转子的散热。在合金保护套内层加入铜屏蔽层可有效抑制转子涡流损耗，但对碳纤维保护措施抑制效果并不明显[24]。

针对高速电机，研究出一种半导磁的合金保护套，与非导磁合金保护套相比，采用半导磁保护套可明显改善电机的空载反电动势波形[25]。使得电机的电磁转换效率得到提高，电机的运行热损耗得到降低。

3 电机的冷却系统设计

高速电机的热损耗密度较大，设计良好的散热系统，降低电机温度是高速电机正常运转的关键技术。

传统的高速永磁电机中采用了机壳水冷的冷却结构，降温效率低。随着进一步研究，高速永磁电机设计出内外风冷的冷却结构，让空气流过电机内部。混合通风把定子分为两段，定子中间开设径向风道，冷风从定子中间的径向风道流入，流经定子槽内开设的轴向风道，分为两路，分别吸收转子热量，流经绕组端部，从机壳两侧的出风口流出，如图2所示。

图2 混合通风系统

3.1 冷却系统的发展

沈阳工业大学对一台1120 kW、18000 r/min的高速永磁电机，分析了槽内风冷与机壳水冷相结合的3种冷却结构:混合通风与螺旋水路、轴向通风与螺旋水路以及轴向通风与直槽水路[26]，混合通风是将定子分为两段，从定子中间进风，经过槽内的轴向风道，从机壳两侧出风。混合通风的冷却效果好于单一轴向通风，螺旋水路和直槽水路的冷却效果相近。混合通风-水冷系统如图3所示。

图3 混合通风-水冷系统

通过对混合风冷和混合通风-水冷系统进行比较分析，混合通风-水冷系统在进出口冷却温差的变化上只在10℃以下，混合风冷进出口温差则为30℃左右[27]。这说明混合风-水冷系统的冷却效果较好。对电机的降温起到显著改善作用。

3.2 冷却系统的改进

若将水冷中的液体换成其他吸热性优良的冷却物质，例如冷却油。那么永磁电机转子和保护套的温度将会降得更加迅速。在实际中，即使混合冷却系统运用在永磁电机上，转子的温度仍远大于定子。因此，还需寻找散热性更好的永磁材料制作转子，这样永磁电机的工作特性将更加稳定。

4 结 语

经过多年的研究发展，国外对高速电机的研究已具备了相当的基础，产业化势头良好。与国外相比，国内对高速电机的研究基础还较薄弱，产业化水平较低，国内对高速电机的研制多集中在中小功率和较低转速的范围内，与国外尚有较大差距。转子存在较大的涡流损耗，转子的温度仍会变高，需要对新型高强度转子材料和结构进行深入研究，开发高导热特性的纤维材料；特大功率的电机国内涉及较少。

因此，未来可以研究的方向：寻找冷却系数更优的介质，降低高速永磁电机的定转子热损耗；特大功率的内转子高速电机结构研究；高强度与高耐温能力的永磁材料、高导热系数的纤维材料等新材料的开发及应用等。