高速永磁電機設計與分析技術

摘 要：高速永磁電機是精化工制造行業經常應用的發電設備。我國的科學技術水平在不斷進步，使得我國的高新技術的各個行業都有了快速發展，也讓我國高速永磁電機技術有了發展和進步。本文分析了高速永磁電機的設計原理，研究了其分析技術，希望可以給相關人員提供參考和借鑒。

關鍵詞：高速永磁電機；設計；分析

高速永磁電機是精密制造行業的主要部分，隨著科學技術的發展，它在工業的應用上很受重視。高速永磁電機的設計也遵循基本的電磁原理，可是其體積小，轉速快，可以提高電機的工作效率同時可以節約成本。比普通電機有很多優點，可是也要有效解決高轉速帶來的問題。

1高速永磁電機的設計技術

高速永磁電機的設計技術包括三部分，第一，電機磁懸浮的高新技術。和普通電機不同，不應用機械軸承，應用的是象磁懸浮列車一樣的不直接接觸的軸承，這種軸承的優點是能夠適當調高轉速，也減少了摩擦功耗，不用潤滑，壽命長等等。第二，設計電機定子[1]。電機定子好像是電機散熱器，其材料及結構是進行電機設計的重要部分。對于其結構設計，目前比較常用的是環形繞組，這個結構有很多齒槽，和散熱器一般，可以使定子溫度保持正常。可是需要注意，在電機高速運轉時，齒槽也使轉子產生耗損。所以，要減小耗損，電機通常利用增加氣隙長度增加散熱。其材料設計通常應用硅鋼片，厚度在0.2mm。第三，設計電機轉子。在高速永磁電機的運行過程中，其轉子也會因電磁效應而高速旋轉。工作時，轉子具有很大離心力，因此，轉子的強度必須足夠大，同時，旋轉時會因摩擦出現高溫，這樣會對轉子結構產生破壞。所以，要達到轉子的運行穩定，要增加轉子強度，同時還要保證材料的損耗低和具有一定的耐高溫性能。因為這些因素，必須加強轉子的材料和結構設計。進行其材料的設計時，比較常用的是永磁材料，這種材料具有比較強的適應性。選擇這種材料，還因為其穩定系數較大，可以讓轉子的溫度保持正常穩定。同時對溫度也具有比較強的適應性，因此溫度較高時可以應用。并且，永磁材料能顧承受比較大的離心力。

2高速永磁電機的分析技術

高速永磁電機的分析技術包括三項內容，第一，分析電機耗損。分析電機損耗是永磁電機分析技術的重要問題。在電機進行轉動時，定子會發生損耗。現在應用的分析方法是比損耗法。是根據一定頻率及定子的鐵耗進行計算定子在運轉當中的損耗[2]。此外，在電機運轉過程中也產生一定的銅耗，現在應用的是解析模型等方法。另外，電機耗損分析的重要部分還有轉子的渦流損耗。目前應用解析法和有限元法進行分析。第二，分析轉子強度。在進行電機設計時，為避免離心力情況下的轉子受到破壞，進行分析轉子強度。通常簡單轉子強度分析，能分析出永磁體和轉子內應力。轉子如果比較復雜，分析過程中要進行解析結果的簡化，同時根據FEM法分析材料各項性質。另外，要確保轉子的高效性能，還要分析轉子的穩定性。第三，計算電機的溫升。考核電機性能的好壞必須考慮其溫升，所以，要進行電機技術的分析必須計算其溫升。溫度對電機的影響很重要。永磁體具有的工作區域對溫度很敏感，因此溫度過高就會導致永磁體產生失磁現象。同時，因電機功率密度比較高，散熱面積有限，因此要限制溫升，需要加強散熱設計，進行散熱設計必須準確計算電機的溫升。如今的溫升計算方法有CFD、FEM、LPTN 等三種方法。

3對設計和分析技術的相關問題解決方法

3.1 選擇轉子

要減少離心力，必須慎重選擇轉子直徑和長度。選擇高速電機轉子的直徑時，要求是越小越好，同時必須保證轉子有能夠空間可以容納永磁體和轉軸。但是轉子的直徑不能過小，高速電機的轉子通常設計成細長型，這樣可以保證轉子的韌度規格較高，同時其臨界轉動速度也比較高。同時，設計的轉子不能有過長的軸向長度，特別是應用磁懸浮軸承類的高速永磁電機的轉子，要降低因跨越臨界轉速時產生較大磁懸浮控制難度，最好增強轉子任性的設計，應用合理科學的轉子長徑比。因此，高速永磁電機轉子進行其直徑和長度的設計時，必須經過精確分析才進行確定，盡量減少問題發生。

3.2 選擇永磁材料

高速永磁電機應用的永磁體要具有相應良好的磁性能力，同時也必須具有較強的適應力，并且可以有效正常的發揮其自身的性能。同時要保持其工作溫度正常和溫升的穩定性。因高速永磁電機轉子需要高頻和高速運轉，會產生較大的損壞，同時散熱能力差，因此在進行永磁材料的選擇時，都必須認真和重點考慮。

3.3 設計永磁電機轉子護套

高速永磁電機通常選擇的永磁材料像冶金粉末一樣，它可以承受相應的壓應力，可是不能承受很大拉應力，因此，在正常情況下其抗拉強度比其抗壓強度低。如果不應用相應的保護，永磁體對于轉子高速旋轉產生的很大離心力很難承受[3]。對永磁體的保護方法是在永磁體外面加保護套，這種保護套不導磁，強度較高，永磁體和護套之間應用過盈配合形式，護套具有的作用是轉子不旋轉的靜態平衡時，能讓永磁體承受相應的壓應力，對高速旋轉的離心力產生的拉應力進行相應的補償。永磁體要在其承受范圍內承擔拉應力。對于給永磁體施加的預壓力是多大，在永磁體和護套間應用多大的過盈量合適，這些都需要根據永磁電機轉子結構和轉子運轉速率范圍以及其應用的材料性能等，進行轉子強度的分析，并進行準確的計算才可以確定。應用不導磁合金鋼的護套，具有顯著的優點，能夠頻閉高頻磁場，具有很好的導熱性能，可以幫助永磁體散熱等等，可是也存在一些缺點，比如因為護套是導電體，要產生一定的損耗，和一些金屬材質護套比較，應用碳纖維材質進行的綁扎帶，具有比較小的厚度，在應用過程中也不產生損耗。可是碳纖維沒有很好的導熱性，因此，也影響永磁電機轉子散熱，而且，碳纖維不能頻閉高頻磁場。通過研究和分析，永磁體材料應用碳纖維材質作為綁扎帶，在其外部加一層具有很好導電性但是不導磁的金屬材料，可以頻閉高頻磁場，同時消耗也很小。

結束語：

綜上所述，高速永磁電機進行設計和分析時，要對其結構和材料等進行分析計算，同時要根據其設計問題進行相應的處理。通過對高速永磁電機的技術進行分析，目前在進行電機耗損、轉子強度和溫升計算等方面還需要進行深入研究和分析。因此，目前的高速永磁電機的轉子和定子當中需要在結構、工藝和材料等方面進行創新應用；加強研究定子轉子的耗損；對相應的護套技術進行深入研發等等。現在的科學技術在不斷的發展和進步，我國的高速永磁電機的相應技術也會得到進一步提高和完善，可以在今后的經濟發展和工業生產當中普遍應用。

參考文獻：

[1]趙振濤.高速永磁電機設計與分析技術[J].科研，2016（8）：00023-00024.

[2]張道洋，李琳琳，溫家寶.高速永磁電機設計與分析技術研究[J].通訊世界， 2016（1）：255-256.

[3]袁超.高速永磁電機設計與分析技術研討[J].現代經濟信息， 2017（10）：355-355.

作者簡介：

高月華（1986-04）女，漢族，河北省石家莊市，從事電機設計工作；