高速永磁電機設(shè)計與分析技術(shù)綜述

高速永磁電機設(shè)計與分析技術(shù)綜述摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高速永磁電機在工業(yè)上的應(yīng)用得到了一定程度的重視。相較于普通電機，高速永磁電機的設(shè)計雖然仍需遵循基本的電磁原理，但是由于其具有體積小和轉(zhuǎn)速高等多方面的特點，所以就需要解決高轉(zhuǎn)速為其帶來的一系列問題。而就目前而言，高速永磁電機的設(shè)計技術(shù)的核心是電機轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計，而電機分析技術(shù)的核心是對電機損耗、轉(zhuǎn)子強度和溫升計算的分析?；诖?，本文主要對高速永磁電機設(shè)計與分析技術(shù)進行分析探討。關(guān)鍵詞：高速永磁電機；設(shè)計；分析技術(shù)綜述1、刖言與傳統(tǒng)電機相比，高速電機無需借助復(fù)雜的、維護困難的變速裝置，可直接與高速負載或原動機相連，具有功率密度高、體積小、效率高、可靠性高、運行成本低的優(yōu)點，因此在高速機床、鼓風(fēng)機、壓縮機、透平式膨脹機、微型燃氣輪機等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，得到了廣泛關(guān)注。永磁直流電機、繞線直流電機、實心轉(zhuǎn)子異步電機、線繞轉(zhuǎn)子同步電機、感應(yīng)子電機、開關(guān)磁阻電機等均可應(yīng)用于高速場合。2、高速永磁電機設(shè)計技術(shù)綜述2.1電機轉(zhuǎn)子設(shè)計在高速永磁電機運行的過程中，轉(zhuǎn)子會進行高速的旋轉(zhuǎn)。所以，伴隨著電機的運轉(zhuǎn)，因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強大的離心力需要轉(zhuǎn)子具有更高的強度，而因摩擦產(chǎn)生的高溫也容易對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸和軸承的結(jié)構(gòu)進行破壞。所以，想要保證電機的穩(wěn)定運行，就需要使轉(zhuǎn)子在具有一定的強度的同時，具有低損耗和耐高溫的特性。而想要達成這些目的，就需要從轉(zhuǎn)子的材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計上來進行考量。一方面，在材料設(shè)計上，現(xiàn)在通常使用的都是具有較高矯頑力的鐵氧體或者稀土永磁材料。而之所以選擇這種材料，首先是因為材料本身具有較小的溫度系數(shù)，可以在高溫時維持轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩特性。其次，該種材料還能適應(yīng)較高的溫度下的較小的材料尺寸的變化，從而可以用于溫度較高的場合而能夠保持機械結(jié)構(gòu)的可靠性。再者，該種材料具有較強的抗壓性和抗撓強度，可以承受因高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的較高一定的離心力。但是值得注意的是，該種材料的抗拉強度非常低，因此需要采用一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行材料的保護。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，如今最常使用的是表貼式結(jié)構(gòu)和兩級圓柱永磁結(jié)構(gòu)，對轉(zhuǎn)子磁體材料形成一個相對穩(wěn)固的抗壓殼體對進行保護。2.2電機定子設(shè)計不同于轉(zhuǎn)子，高速永磁電機的定子是電機的主要發(fā)熱元件和散熱通道。所以，電機的大部分損耗將在定子上產(chǎn)生，而轉(zhuǎn)子損耗也與定子的結(jié)構(gòu)和材料有著密切的聯(lián)系。所以，定子的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計，成為了電機研究的重點內(nèi)容。一方面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，現(xiàn)階段經(jīng)常采用的是環(huán)形繞組的定子結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，首先，繞組處于電機的軛部，從而縮短了轉(zhuǎn)子所需的長度，進而提升了轉(zhuǎn)子的剛度。其次，該結(jié)構(gòu)中的內(nèi)外槽較多，可以成為散熱通道，進而幫助定子散熱。但是需要注意的是，在電機高速運轉(zhuǎn)的過程中，比起普通電機，這些齒槽會增大轉(zhuǎn)子的損耗。3、高速永磁電機分析技術(shù)綜述3.1對電機損耗的分析對電機損耗的分析技術(shù)，是目前高速永磁電機分析技術(shù)中較為熱門的話題。這是因為在高速永磁電機的運行過程中，電機定子勢必會產(chǎn)生一定的鐵耗或者銅耗，因此，目前許多學(xué)者都加強了對定子鐵耗與定子銅耗分析技術(shù)的研究。在定子鐵耗的分析上，主要采取比損耗法，也就說按照特定頻率和磁密下的定子鐵耗進行高速永磁電機運行過程中定子鐵耗的計算，并且結(jié)合一定的經(jīng)驗系數(shù)，對所得計算結(jié)果進行修正。而在定子銅耗的分析上，則主要采取解析模型效應(yīng)方法進行定子銅耗計算。此外，在高速永磁電機損耗分析中，對電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的分析也是重中之重，往往采用解析法與有限元法，通過這兩種方法對電機轉(zhuǎn)子渦流損耗進行分析。3.2對電機轉(zhuǎn)子強度的分析在高速永磁電機的實際運行過程中，由于電機轉(zhuǎn)子會受到來自離心力的巨大破壞，因此，為了進一步確保電機轉(zhuǎn)子的安全穩(wěn)定運行，就必須在電機轉(zhuǎn)子設(shè)計的過程中，做好對電機轉(zhuǎn)子強度的分析工作。通常情況下，我們在分析結(jié)構(gòu)簡單的電機轉(zhuǎn)子強度時，往往可以將其轉(zhuǎn)子內(nèi)部的應(yīng)力以及永磁體內(nèi)部的應(yīng)力進行準確的分析，得出計算結(jié)果。在分析結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電機轉(zhuǎn)子強度時，則需要先對計算結(jié)果進行簡化解析，并利用FEM法對電機各項材料的性質(zhì)分別進行分析。而在分析實際運轉(zhuǎn)中的電機轉(zhuǎn)子強度時，則應(yīng)該做好對轉(zhuǎn)子二維軸向截面的分析工作，從而實現(xiàn)較小規(guī)模的電機轉(zhuǎn)子強度分析。與此同時，為了確保在高速永磁電機運行過程中，電機轉(zhuǎn)子能夠保持良好的工作性能，還要對電機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性、不平衡相應(yīng)等動力學(xué)內(nèi)容展開詳細的分析。3.3對電機溫升計算的分析在實際運行過程中，永磁體工作點會受到溫度的較大影響，過高的溫度還會造成永磁體失磁問題。所以，對于高速永磁電機而言，其性能與溫升水平有著密不可分的聯(lián)系。因此，如何準確的計算溫升，則儼然已經(jīng)成為永磁電機散熱設(shè)計的關(guān)鍵所在。目前在對高速永磁電機的溫升計算中，常見的溫升計算方法主要有三種：第一，LPTN法。LPTN法的應(yīng)用實質(zhì)就是將高速永磁電機中溫度較為相近的部分合成一個節(jié)點，并用熱阻模擬節(jié)點之間的傳熱。對于固體熱傳導(dǎo)所對應(yīng)的熱阻，可根據(jù)固體材料的導(dǎo)熱率和幾何尺寸予以計算。而對于流固交界面處的對流傳熱熱阻，則要根據(jù)流傳熱系數(shù)與交界面的實際面積予以計算。在實際計算中，可充分借助電路實現(xiàn)，將高速永磁電機各個部分的損耗，作為熱源加在相應(yīng)的節(jié)點之上，并將這些熱源看作是電流源，熱阻看作是電阻，溫度看作是電壓，基于此采用電網(wǎng)絡(luò)求解技術(shù)對高速永磁電機各個部分的溫升進行計算。一般來講，根據(jù)不同的離散程度可將高速永磁電機劃分為幾個、幾十個，甚至是上百個節(jié)點。其中，離散程度越高，計算越準確，在熱阻的計算工作上也就更為復(fù)雜。此外，因為流傳熱系數(shù)與流體流速有著密不可分的關(guān)系，所以，在對熱網(wǎng)絡(luò)進行計算前，就必須建立高速永磁電機的冷卻流體網(wǎng)絡(luò)，利用經(jīng)驗公式、曲線以及表格，確定流傳熱系數(shù)。第二，F(xiàn)EM法。FEM法是利用二維或者是三維的方式，對高速永磁電機實體進行建模剖分，以此加載各項損耗的密度與傳熱條件。所以，求解所獲得的溫升分布與LPTN相比更加詳細。但是，由于FEM法在結(jié)果計算中也是依據(jù)經(jīng)驗方法進行計算，所以與LPTN面臨著相同的問題，就是計算結(jié)果的準確性，嚴重依賴于傳熱條件的準確程度。因此，在實際的溫升計算中，多使用FEM法作為LPTN模型的修正與細化。第三，CFD法。與LPTN法、FEM法相比，CFD法在對流傳熱系數(shù)的確認上無須借助經(jīng)驗方法，只需借助流固耦合和共軛傳熱建模技術(shù)，就可以對高速永磁電機的內(nèi)部、外部流體情況，溫升分布情況，進行準確的求解，因此CFD法計算出的結(jié)果準確性更高。但同時，在CFD法的應(yīng)用過程中，對剖分技術(shù)、計算機資源等要求較高，計算過程較為耗時，因此在一定程度上也阻礙了CFD法的廣泛應(yīng)用與推廣。所以，近些年來諸多學(xué)者就CFD法展開了詳細的分析，將LPTN法與CFD法相結(jié)合，或者是將FEM法與CFD法相結(jié)合，充分利用各種計算方法的優(yōu)勢，既降低了溫升的實際計算時長，也進一步提高了溫升的計算精度。尤其是近年來，隨著我國計算機網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，軟硬件技術(shù)也隨之得到了相應(yīng)的提高，人們對高速永磁電機功率與效率提出了更高的要求，所以CFD法在高速永磁電機傳熱方面的應(yīng)用勢必會更加廣泛，值得廣大電機相關(guān)工作者加以深入研究與探討。4、結(jié)論總而言之，本文在總結(jié)和概括高速永磁電機的核心技術(shù)的基礎(chǔ)之上，對其設(shè)計及分析技術(shù)進行了綜述。而從本文研究的結(jié)果來看，目前的高速永磁電機的設(shè)計主要是圍繞著電機定轉(zhuǎn)子的材料和結(jié)構(gòu)來進行的，并且取得了一定的進展。但是在高速永磁電機的分析技術(shù)方面，人們對電機損耗、轉(zhuǎn)子強