高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)研討

袁超

摘要：近幾年，對于高速永磁電機(jī)項(xiàng)目的管理和控制，已經(jīng)成為社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)，主要從電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和電機(jī)定子設(shè)計(jì)兩個(gè)層面進(jìn)行分析，為保證相關(guān)參數(shù)的完整性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文對高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行了集中分析，并著重討論了高速永磁電機(jī)分析技術(shù)的特征，旨在為研究部門提供更加有價(jià)值的參考建議。

關(guān)鍵詞：高速永磁電機(jī)；設(shè)計(jì)模塊；分析技術(shù)

中圖分類號：TM351 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：1001-828X（2017）015-0-01

一、高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)分析

高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)過程要結(jié)合實(shí)際需求和管理參數(shù)的具體結(jié)構(gòu)，確保設(shè)計(jì)效果和實(shí)際應(yīng)用水平相適應(yīng)，在優(yōu)化設(shè)備使用效率的同時(shí)，能進(jìn)一步提高設(shè)備應(yīng)用價(jià)值。

第一，要對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。由于高速永磁電機(jī)在常規(guī)化運(yùn)行過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)隨之存在高頻旋轉(zhuǎn)，因此，電機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)會(huì)存在較大的離心力，在摩擦環(huán)境中，實(shí)際質(zhì)量會(huì)受到高溫影響[1]?；诖?，要想進(jìn)一步提高高速永磁電機(jī)的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全性，就要對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行有效的強(qiáng)度管理，針對其耐高溫和低損耗特征建立健全穩(wěn)定的管控機(jī)制。設(shè)計(jì)人員在對電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析后，要對其結(jié)構(gòu)和材料展開深度整合。一方面，電機(jī)轉(zhuǎn)子材料設(shè)計(jì)中，要利用矯頑力較高的永磁材料，材料本身維度系數(shù)較小，能保證其處在一個(gè)較為穩(wěn)定的溫度環(huán)境之中。也能有效適應(yīng)高溫環(huán)境，更好地發(fā)揮其實(shí)際優(yōu)勢和價(jià)值。需要注意的是，當(dāng)永磁材料具有較高矯頑力時(shí)，其抗撓程度也較好，能更好地承受離心力作用。另一方面，要對電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行集中設(shè)計(jì)，主要是利用表貼式永磁結(jié)構(gòu)與和兩極圓柱永磁結(jié)構(gòu)，能在使用過程中對材料產(chǎn)生較好的保護(hù)作用。

第二，要對電機(jī)定子進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。在高速永磁機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)定子是主要的散熱通道，因此，其實(shí)際損耗程度和定子的材料、結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，需要設(shè)計(jì)人員針對具體問題進(jìn)行集中處理，從根本上提高材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的最優(yōu)化。在電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，目前較為常見的就是環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)模式，最大的優(yōu)點(diǎn)就在于定子結(jié)構(gòu)能處于軛部，減少電機(jī)轉(zhuǎn)子長度參數(shù)的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)子的剛度。其中，環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)中的內(nèi)槽和外槽都能發(fā)揮其實(shí)際價(jià)值，在優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)的同時(shí)，為渠道應(yīng)用和運(yùn)行通暢性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。另外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，齒槽會(huì)對電機(jī)轉(zhuǎn)子的損耗產(chǎn)生影響，為了提升其抗損耗能力，增加高速永磁電機(jī)氣隙長度，選擇在0.2毫米以下的無取向硅鋼片[2]。

二、高速永磁電機(jī)分析技術(shù)

要對高速永磁電機(jī)分析技術(shù)進(jìn)行綜合性分析和集中整合，確保技術(shù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用效果切實(shí)有效，從而優(yōu)化整體運(yùn)行效果[3]。

第一，要對電機(jī)損耗進(jìn)行集中分析和綜合性處理。對于高速永磁電機(jī)分析技術(shù)進(jìn)行分類管理和應(yīng)用整合的過程中，要對損耗問題給予高度關(guān)注。究其原因，主要是由于電機(jī)定子會(huì)在運(yùn)行中出現(xiàn)鐵損耗或者是銅損耗等問題，只有建立健全完整的處理機(jī)制和管控措施，才能從根本上優(yōu)化分析技術(shù)的實(shí)際性能和處理效果。技術(shù)人員要按照特定的頻率以及磁密性對電子的鐵耗進(jìn)行集中的分析和計(jì)算，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果后展開修正操作。另外，對于銅損耗則需要建立解析模型效應(yīng)方程，對具體參數(shù)進(jìn)行有效的核算和分析。基于此，在高速永磁電機(jī)分析技術(shù)建立和應(yīng)用過程中，要電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流的分析效果是最關(guān)鍵的，需要技術(shù)人員結(jié)合解析法和有限元法整合相關(guān)數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析效果升級奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

第二，技術(shù)人員要對電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行分析，在高速永磁電機(jī)運(yùn)行過程中，電子轉(zhuǎn)子會(huì)受到較大的離心力，為了保證其安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，要對電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)項(xiàng)目展開深度分析和集中整合[4]。一方面，在分析結(jié)構(gòu)簡單的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度時(shí)，需要對轉(zhuǎn)子內(nèi)部的應(yīng)力和永磁體內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行分析，從而有效應(yīng)用計(jì)算結(jié)果。另一方面，在對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行分析時(shí)，為了得出較為準(zhǔn)確的數(shù)值，則需要對計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的簡化處理，并應(yīng)用FEM法對不同材料的性質(zhì)展開綜合性審定和管理。除此之外，在分析實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度時(shí)，則需要利用二維軸向截面分析機(jī)制對規(guī)模較小的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度展開深度分析。也就是說，為了進(jìn)一步優(yōu)化高速永磁電機(jī)運(yùn)行效率，保證其工作性能，要對電機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性等展開詳細(xì)分析。

第三，對電機(jī)溫升計(jì)算進(jìn)行集中分析，由于高速永磁體工作點(diǎn)會(huì)受到溫度的影響，其中，溫度較高會(huì)使其出現(xiàn)失磁問題，基于此，技術(shù)人員要對溫升水平進(jìn)行集中控制和調(diào)節(jié)，保證散熱設(shè)計(jì)效果的最優(yōu)化[5]。其中，利用LPTN法、FEM法以及CFD法等進(jìn)行集中分析，能有效對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整合。例如，在應(yīng)用CFD法的過程中，只需要技術(shù)人員借助流固耦合和共軛傳熱建模技術(shù)等，對高速永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)化分析和拆解，從而有效判定其溫升情況以及分布結(jié)構(gòu)，只有保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，才能順利升級技術(shù)管控效果。在利用不同計(jì)算方法的過程中，要結(jié)合實(shí)際問題進(jìn)行優(yōu)化選擇，確保溫升計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，尤其要對技術(shù)落實(shí)結(jié)構(gòu)和管理效果展開深度分析和調(diào)研，升級處理效果和技術(shù)實(shí)效性。

三、結(jié)語

總而言之，在對高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目和分析技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌分析時(shí)，要著重對定子和轉(zhuǎn)子材料、結(jié)構(gòu)等展開深度分析，優(yōu)化技術(shù)參數(shù)的完整性，著重處理電機(jī)損耗、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度以及溫升計(jì)算效果等，確保計(jì)量技術(shù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性符合標(biāo)準(zhǔn)。在電機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目開展后，要對高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)提供更加有效的思路和技術(shù)借鑒，也為高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周鳳爭，沈建新，林瑞光，等.從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度減少高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2014，41（9）：1587-1591.

[2]劉剛，張強(qiáng)，毛琨，等.基于電壓注入的高速永磁電機(jī)諧波電流抑制方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2016，20（7）：8-16.

[3]王曉遠(yuǎn)，秦慶雷，王耕籍，等.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗影響分析[J].微電機(jī)，2016，49（6）：1-4.

[4]田擁勝，孫巖樺，虞烈，等.高速永磁電機(jī)電磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，32（9）：116-123.

[5]張鳳閣，杜光輝，王天煜，等.1.12MW高速永磁電機(jī)不同冷卻方案的溫度場分析[C].第六屆電工技術(shù)前沿問題學(xué)術(shù)論壇論文集，2014：66-72.