高速永磁電機優化設計研究

傅江華

摘 ?要：高速永磁電機在當前的生產生活中應用廣泛，本文基于筆者的實驗設計，首先對影響高速永磁電機性能的關鍵參數進行了分析，然后對高速永磁電機的散熱方案進行了相應的優化設計。

關鍵詞：高速永磁電機;溫升限制;散熱優化

一、序言

伴隨著當前科技水平的提高，傳統的電機逐漸被功率更高、體積更小的高速永磁電機所取代。所謂高速永磁電機是指其轉速在10kr/min以上的永磁電機，能夠應用到多種領域，十分符合當前我國產業結構調整和相關產業領域升級的需求。本文主要針對高速永磁電機的結構、材料損耗、轉子強度、轉子支承等動力學參數進行分析，基于高速永磁電機的維護需求和低故障率需求對高速永磁電機進行優化，希望能為相關的產品研發提供參考。

二、關鍵參數對高速永磁電機性能的影響

高速永磁電機的尺寸主要受電磁、溫升和機械三個方面的限制。首先是電磁方面，其應用的標準是在特定的電磁負荷情況下，電機的轉子體積能夠輸出相應的電磁轉矩。電磁轉矩主要受電機氣隙磁密平均值、電機線負荷有效值、轉子表面積等因素決定，在相同的線負荷與氣息磁密取值下，高速電機的優勢就在于其轉速越高，相應的輸出功率也就越大;其次是溫升方面，其應用的標準是在電機運轉情況下，其散熱面積和冷卻方式能夠使整體高速永磁電機的溫情情況控制在絕緣等級之內。因為在高速電機運行的過程中，其定轉子勢必會產生一定程度的損耗，進而轉化為相應的熱能使得電機內不出現溫升。高速永磁電機的溫升主要是受轉子永磁體的磁場強度、定子繞組的絕緣壽命和抗去磁能力等影響，直接表現為電機的散熱情況和損耗情況;最后是機械方面，機械參數的選擇主要表現為在離心力和共振的情況下，轉子的外徑和長徑比能夠保護轉子不被破壞。高速永磁電機的機械限制主要表現在高轉速下軸承尺寸的限制、轉子離心力限制和轉子臨界轉速限制三個方面。既需要考慮在離心力和共振的情況下轉子的尺寸需求，也需要考慮臨界轉速下轉子尺寸的限制和軸承尺寸的限制。此外還有相關足間剛度和阻尼等參數也會對轉子系統的動力學特性產生影響，所以機械方面的限制是對高速永磁電機各組件參數選擇的主要參考對象。

三、高速永磁電機優化設計

1.優化方案選擇

經過對電機電磁溫升限制的研究，我們可以了解到，高速永磁電機的電磁符合需要隨著轉速的提高而下降才能使高速永磁電機不達到溫升極限。所以為提高整體高速永磁電機功率的密度，本次設計準備了以下三個方面的優化：首先是利用臨近相應、抗集膚效應和環流的繞線方案，從繞組形勢入手來阻礙電磁轉速;其次是利用新型的定子鐵心材料來降低定子的鐵耗;第三是針對散熱面的散熱方案入手，利用水套冷卻或蒸發冷卻等先進的散熱方案來提高傳熱系數。

2.散熱優化

本次設計的電機為降低交流銅耗，采用較深的槽，并使內外線圈均集中在內槽和外槽的底部，在槽的上部留出了一定的空間。這樣做的同時也增大了定子的散熱面積。軸向吹拂冷卻氣流吸入電機內部后，被電機繞組和扼部分為兩部分，分別進入外套、內槽和氣隙組成的兩個風道，最終從電機的另外一端排出。

為了解該電機基本冷卻流場及溫度場分布情況，筆者在相關軟件上建立流固禍合傳熱簡化模型，采用基于FVM的CFD軟件AnsysFluent對其進行共扼傳熱分析，最終得到的優化方案如下：

首先是增大定子沖片的扼部厚度，縮小外槽面積，同為外槽設置了槽肩，將其由開口槽調整為閉口槽，并使用槽楔將外槽完全封閉，移除了外風道;

其次是增大定子內齒寬度，縮小內槽面積，使繞組高度增加，從而縮小了內風道;

最后是為補償外風道被封對定子散熱帶來的影響，在機殼外設置散熱翅。

進行完以上改進后，由于線圈更靠近槽口，在同樣工作溫度下，銅耗由優化前計算的683W增加至708W。定子鐵心磁密下降，但重量也有增加，綜合起來導致鐵耗變化不大，由77gw降低至77ow。采用同樣的方式對改進后的電機結構進行簡化及建模，并進行迭代計算。改進之后，軸向進入氣隙的冷卻流量增加。轉子最高溫度點更靠近出口，最高溫升為91.6K。定子最高溫升仍出現在外繞組靠近出口處，對應溫升為69.7K。可見，改進前后，電機的定子最高溫升僅提高了不到1K，但轉子最高溫升下降了6.5K。所做的改進工作起到了轉子散熱優化的效果。

四、總結

總而言之，本文根據高速永磁電機的實際限制情況出發，對高速永磁電機的散熱方向進行了重新設計，提高了整體散熱性能，讓其能夠更好的滿足高速永磁電機的實際應用生產要求。根據后續的仿真模擬實驗，筆者對本次設計的高速永磁電機進行了運行模擬，確認本次設計的電機取得了預期的設計成果。

參考文獻

[1] ?張鳳閣，杜光輝，王天煜，王鳳翔，Wenping CAO，王大朋.1.12MW高速永磁電機多物理場綜合設計[J].電工技術學報，2015，30（12）：171-180.

[2] ?孔曉光，王鳳翔，邢軍強.高速永磁電機的損耗計算與溫度場分析[J].電工技術學報，2012，27（09）：166-173.