淺談高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)

朱 桐

（蘇州大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 機(jī)械工程系，蘇州 215021）

高速永磁電機(jī)是當(dāng)前精密制造行業(yè)中的重要裝備，隨著近幾年科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展它也得到了越來越多的應(yīng)用。相比于普通電機(jī)，雖然設(shè)計(jì)原理一樣，但是，高速永磁電機(jī)擁有更多的優(yōu)勢(shì)，如轉(zhuǎn)速更快、體積更小、工作效率更高、成本更低。高速永磁電機(jī)的高轉(zhuǎn)速卻造成一些問題，目前其設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)在于定子與轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，而其分析技術(shù)工作的重點(diǎn)在于電機(jī)損耗、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和溫升計(jì)算。

1 高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 電機(jī)磁懸浮技術(shù)

傳統(tǒng)電機(jī)中軸承采用的都是機(jī)械軸承，而機(jī)械軸承具有摩擦過大、功率損耗較大的缺陷。高速永磁電機(jī)不再使用機(jī)械軸承，而改用一種非接觸類型的軸承。運(yùn)用這種非接觸類型的軸承，電機(jī)的使用年限得到延長，作為一種目前仍然處于試用階段的新型技術(shù)，磁懸浮技術(shù)會(huì)逐步應(yīng)用到高速電機(jī)領(lǐng)域。

1.2 電機(jī)定子的設(shè)計(jì)

簡單地說，定子在電機(jī)中的作用就是給電機(jī)散熱，設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，選擇合適的定子也是一項(xiàng)重要工作。目前，定子大多采用環(huán)形繞組式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠大大減少電機(jī)軸向的需求長度，提升轉(zhuǎn)子的韌度。同時(shí)，在這種定子結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)多個(gè)齒槽，這些齒槽能夠起到一定的散熱作用，確保定子能夠持續(xù)處于正常溫度。需要注意的是，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒槽會(huì)使轉(zhuǎn)子的耗損增加。為了使這種損耗較少，通常情況下，這種電機(jī)都會(huì)增加氣隙的長度進(jìn)行散熱。設(shè)計(jì)材料時(shí)，一般會(huì)采用常見的0.2mm厚度以內(nèi)的硅鋼片，以減少鐵芯上的磁滯損耗。

1.3 電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

根據(jù)永磁電機(jī)原理可知，在電磁效應(yīng)的作用下，轉(zhuǎn)子會(huì)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，其間速度很快，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)巨大的離心力，因此轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度要求很高。同時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中溫度很高，電機(jī)中的轉(zhuǎn)子特別容易遭到破壞，這樣會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的運(yùn)行。所以，設(shè)計(jì)要確保電機(jī)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度，保證轉(zhuǎn)子材料能夠耐高溫、損耗低。為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，要對(duì)轉(zhuǎn)子的選材和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常選擇適應(yīng)性較強(qiáng)的永磁材料。原因是永磁材料的溫度系數(shù)較小，同時(shí)永磁材料提供電機(jī)運(yùn)行的主磁路，轉(zhuǎn)子鐵芯中諧波不是很大，這樣轉(zhuǎn)子的溫度不會(huì)太高，可以維持在正常的范圍內(nèi)。除此之外，這種材料還具有特別優(yōu)秀的適應(yīng)能力。

2 分析技術(shù)的研究

2.1 電機(jī)耗損分析

在運(yùn)行的過程中，電機(jī)的定子會(huì)出現(xiàn)一定損耗。人們通常運(yùn)用比損耗法對(duì)其進(jìn)行分析。這種方法的原理就是根據(jù)定量的頻率大小與定子鐵耗進(jìn)行定子損耗的數(shù)值計(jì)算，計(jì)算之后再對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。在運(yùn)行過程中，還會(huì)有銅耗產(chǎn)生，現(xiàn)在一般用解析模型法分析銅耗。此外，渦流損耗在電機(jī)損耗中占比較大，現(xiàn)在通常用有限元法和解析法進(jìn)行分析。

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析

在運(yùn)行的過程中，電機(jī)產(chǎn)生的離心力會(huì)使轉(zhuǎn)子遭到一定損壞，為了避免出現(xiàn)這個(gè)問題，要對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行分析。通常，電機(jī)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析出來以后，人們就能準(zhǔn)確得出永磁體和轉(zhuǎn)子內(nèi)部的應(yīng)力。如果轉(zhuǎn)子對(duì)象比較復(fù)雜，分析時(shí)要把結(jié)果進(jìn)行簡化，然后采用FEM法把轉(zhuǎn)子材料的所有性質(zhì)分析出來。轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性也要進(jìn)行分析，以保證電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以保持非常好的性能。

2.3 電機(jī)溫升計(jì)算

對(duì)于電機(jī)來說，溫度對(duì)其性能的影響是比較大的。溫度的大小波動(dòng)會(huì)直接影響電機(jī)，所以要對(duì)電機(jī)的溫升進(jìn)行計(jì)算和分析。溫度會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的性能，例如，電機(jī)的永磁體工作區(qū)域受溫度影響較大，電機(jī)的溫度升高，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)造成永磁體失磁。同時(shí)對(duì)于電機(jī)來說，其功率密度很高，沒有太多的地方能夠進(jìn)行散熱，所以可以通過散熱設(shè)計(jì)避免溫度升高。電機(jī)散熱設(shè)計(jì)的一個(gè)先決條件就是是否能夠精準(zhǔn)地計(jì)算出電機(jī)的溫升，目前，計(jì)算方法主要有三種：FEM、CFD以及LPTN。

3 問題解決策略

3.1 轉(zhuǎn)子的選擇

為了使電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的離心力減少，要合理選擇轉(zhuǎn)子長度和直徑。通常情況下，轉(zhuǎn)子直徑越小越好，但也要確保有位置可以放置轉(zhuǎn)軸和永磁體，因此轉(zhuǎn)子直徑不能設(shè)計(jì)得太小。為了保證電機(jī)的韌度足夠強(qiáng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度能夠達(dá)到要求，轉(zhuǎn)子往往都設(shè)計(jì)成細(xì)長型。對(duì)于轉(zhuǎn)子來說，軸向不可以設(shè)計(jì)得太長，高速永磁電動(dòng)機(jī)不像傳統(tǒng)電機(jī)使用機(jī)械軸承，而采用非接觸類型的軸承，為了降低懸浮控制的難度，設(shè)計(jì)會(huì)適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)子長徑比，增強(qiáng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的韌性。只有完成上述設(shè)計(jì)內(nèi)容，才能保證電機(jī)的正常運(yùn)行。

3.2 對(duì)永磁材料的選取

對(duì)于電機(jī)中的永磁體來說，最重要的就是必須具備非常好的磁性能力，簡單地說就是具備很強(qiáng)的適應(yīng)能力，這樣可以確保永磁體的性能最佳。另外，要使永磁體的工作溫度一直維持正常，原因是在電機(jī)運(yùn)行的過程中，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子會(huì)有大量損耗，而高速永磁電機(jī)的散熱性不是特別好，因此要重點(diǎn)考慮永磁材料的選擇。

3.3 對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套的設(shè)計(jì)

通常情況下，高速永磁電機(jī)都會(huì)選擇類似冶金粉末的永磁材料，這種材料的一大特點(diǎn)就是能夠承受一定強(qiáng)度的壓應(yīng)力，但是缺陷就是沒有辦法承受太大的拉應(yīng)力，因此其抗拉強(qiáng)度都要低于抗壓強(qiáng)度。如果不對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，那么永磁體就沒有辦法承受高速旋轉(zhuǎn)造成的離心力。人們可以在永磁體外面添加一層強(qiáng)度較高的無法導(dǎo)磁的保護(hù)套，對(duì)永磁體進(jìn)行保護(hù)，永磁體與保護(hù)套之間可以使用過盈配合的方式。保護(hù)套的作用就是在電機(jī)轉(zhuǎn)子處在不旋轉(zhuǎn)的靜態(tài)平衡時(shí)，能夠使永磁體承受一定的壓應(yīng)力，補(bǔ)償轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)伴隨離心力而產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

永磁體承受的拉應(yīng)力應(yīng)該控制在永磁材料允許的范圍內(nèi)。對(duì)于施加給永磁體的預(yù)壓力是多大，永磁體與護(hù)套間的過盈量用多少更為合適，人們都要根據(jù)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子運(yùn)行速率的范圍和材料特性，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行分析，再通過公式進(jìn)行計(jì)算。電機(jī)在使用不導(dǎo)磁的合金鋼護(hù)套后，相比之前優(yōu)勢(shì)更加明顯，能夠輕易將高頻磁場(chǎng)屏蔽掉，同時(shí)這種材料導(dǎo)熱性好，有助于電機(jī)散熱。但是，這種材料同樣具有缺陷，它具有導(dǎo)電性，因此會(huì)產(chǎn)生一定損耗。碳纖維材質(zhì)的綁扎帶厚度較小，在使用過程中不產(chǎn)生損耗，可是其導(dǎo)熱性不好，因此會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子散熱，同時(shí)其沒有辦法屏蔽高頻磁場(chǎng)。因此，人們可以在碳纖維材質(zhì)綁扎的永磁體材料外面加上一層金屬材料，這樣可以有效對(duì)高頻磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，同時(shí)可以有效減少損耗。

4 結(jié)語

與具有常速的普通電機(jī)相比，高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和繞組電流頻率均比較高，其單位體積定子的鐵耗和銅耗顯著增加，轉(zhuǎn)子的高頻渦流損耗和表面空氣摩擦損耗皆有較大提升。因此，本文對(duì)高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)進(jìn)行研究，并提出改進(jìn)策略，旨在提升其應(yīng)用水平。隨著高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和分析技術(shù)的優(yōu)化，其發(fā)展前景必將更加廣闊。