高速永磁電機(jī)設(shè)計與分析技術(shù)

摘 要：高速永磁電機(jī)是精化工制造行業(yè)經(jīng)常應(yīng)用的發(fā)電設(shè)備。我國的科學(xué)技術(shù)水平在不斷進(jìn)步，使得我國的高新技術(shù)的各個行業(yè)都有了快速發(fā)展，也讓我國高速永磁電機(jī)技術(shù)有了發(fā)展和進(jìn)步。本文分析了高速永磁電機(jī)的設(shè)計原理，研究了其分析技術(shù)，希望可以給相關(guān)人員提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：高速永磁電機(jī)；設(shè)計；分析

高速永磁電機(jī)是精密制造行業(yè)的主要部分，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在工業(yè)的應(yīng)用上很受重視。高速永磁電機(jī)的設(shè)計也遵循基本的電磁原理，可是其體積小，轉(zhuǎn)速快，可以提高電機(jī)的工作效率同時可以節(jié)約成本。比普通電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，可是也要有效解決高轉(zhuǎn)速帶來的問題。

1高速永磁電機(jī)的設(shè)計技術(shù)

高速永磁電機(jī)的設(shè)計技術(shù)包括三部分，第一，電機(jī)磁懸浮的高新技術(shù)。和普通電機(jī)不同，不應(yīng)用機(jī)械軸承，應(yīng)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(yōu)點(diǎn)是能夠適當(dāng)調(diào)高轉(zhuǎn)速，也減少了摩擦功耗，不用潤滑，壽命長等等。第二，設(shè)計電機(jī)定子[1]。電機(jī)定子好像是電機(jī)散熱器，其材料及結(jié)構(gòu)是進(jìn)行電機(jī)設(shè)計的重要部分。對于其結(jié)構(gòu)設(shè)計，目前比較常用的是環(huán)形繞組，這個結(jié)構(gòu)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(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，齒槽也使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生耗損。所以，要減小耗損，電機(jī)通常利用增加氣隙長度增加散熱。其材料設(shè)計通常應(yīng)用硅鋼片，厚度在0.2mm。第三，設(shè)計電機(jī)轉(zhuǎn)子。在高速永磁電機(jī)的運(yùn)行過程中，其轉(zhuǎn)子也會因電磁效應(yīng)而高速旋轉(zhuǎn)。工作時，轉(zhuǎn)子具有很大離心力，因此，轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度必須足夠大，同時，旋轉(zhuǎn)時會因摩擦出現(xiàn)高溫，這樣會對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。所以，要達(dá)到轉(zhuǎn)子的運(yùn)行穩(wěn)定，要增加轉(zhuǎn)子強(qiáng)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?yàn)檫@些因素，必須加強(qiáng)轉(zhuǎn)子的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計。進(jìn)行其材料的設(shè)計時，比較常用的是永磁材料，這種材料具有比較強(qiáng)的適應(yīng)性。選擇這種材料，還因?yàn)槠浞€(wěn)定系數(shù)較大，可以讓轉(zhuǎn)子的溫度保持正常穩(wěn)定。同時對溫度也具有比較強(qiáng)的適應(yīng)性，因此溫度較高時可以應(yīng)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(jī)的分析技術(shù)

高速永磁電機(jī)的分析技術(shù)包括三項內(nèi)容，第一，分析電機(jī)耗損。分析電機(jī)損耗是永磁電機(jī)分析技術(shù)的重要問題。在電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動時，定子會發(fā)生損耗?，F(xiàn)在應(yīng)用的分析方法是比損耗法。是根據(jù)一定頻率及定子的鐵耗進(jìn)行計算定子在運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中的損耗[2]。此外，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也產(chǎn)生一定的銅耗，現(xiàn)在應(yīng)用的是解析模型等方法。另外，電機(jī)耗損分析的重要部分還有轉(zhuǎn)子的渦流損耗。目前應(yīng)用解析法和有限元法進(jìn)行分析。第二，分析轉(zhuǎn)子強(qiáng)度。在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計時，為避免離心力情況下的轉(zhuǎn)子受到破壞，進(jìn)行分析轉(zhuǎn)子強(qiáng)度。通常簡單轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析，能分析出永磁體和轉(zhuǎn)子內(nèi)應(yīng)力。轉(zhuǎn)子如果比較復(fù)雜，分析過程中要進(jìn)行解析結(jié)果的簡化，同時根據(jù)FEM法分析材料各項性質(zhì)。另外，要確保轉(zhuǎn)子的高效性能，還要分析轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。第三，計算電機(jī)的溫升。考核電機(jī)性能的好壞必須考慮其溫升，所以，要進(jìn)行電機(jī)技術(shù)的分析必須計算其溫升。溫度對電機(jī)的影響很重要。永磁體具有的工作區(qū)域?qū)囟群苊舾?，因此溫度過高就會導(dǎo)致永磁體產(chǎn)生失磁現(xiàn)象。同時，因電機(jī)功率密度比較高，散熱面積有限，因此要限制溫升，需要加強(qiáng)散熱設(shè)計，進(jìn)行散熱設(shè)計必須準(zhǔn)確計算電機(jī)的溫升。如今的溫升計算方法有CFD、FEM、LPTN 等三種方法。

3對設(shè)計和分析技術(shù)的相關(guān)問題解決方法

3.1 選擇轉(zhuǎn)子

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

3.2 選擇永磁材料

高速永磁電機(jī)應(yīng)用的永磁體要具有相應(yīng)良好的磁性能力，同時也必須具有較強(qiáng)的適應(yīng)力，并且可以有效正常的發(fā)揮其自身的性能。同時要保持其工作溫度正常和溫升的穩(wěn)定性。因高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子需要高頻和高速運(yùn)轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的損壞，同時散熱能力差，因此在進(jìn)行永磁材料的選擇時，都必須認(rèn)真和重點(diǎn)考慮。

3.3 設(shè)計永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套

高速永磁電機(jī)通常選擇的永磁材料像冶金粉末一樣，它可以承受相應(yīng)的壓應(yīng)力，可是不能承受很大拉應(yīng)力，因此，在正常情況下其抗拉強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度低。如果不應(yīng)用相應(yīng)的保護(hù)，永磁體對于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的很大離心力很難承受[3]。對永磁體的保護(hù)方法是在永磁體外面加保護(hù)套，這種保護(hù)套不導(dǎo)磁，強(qiáng)度較高，永磁體和護(hù)套之間應(yīng)用過盈配合形式，護(hù)套具有的作用是轉(zhuǎn)子不旋轉(zhuǎn)的靜態(tài)平衡時，能讓永磁體承受相應(yīng)的壓應(yīng)力，對高速旋轉(zhuǎn)的離心力產(chǎn)生的拉應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。永磁體要在其承受范圍內(nèi)承擔(dān)拉應(yīng)力。對于給永磁體施加的預(yù)壓力是多大，在永磁體和護(hù)套間應(yīng)用多大的過盈量合適，這些都需要根據(jù)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)速率范圍以及其應(yīng)用的材料性能等，進(jìn)行轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的分析，并進(jìn)行準(zhǔn)確的計算才可以確定。應(yīng)用不導(dǎo)磁合金鋼的護(hù)套，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，能夠頻閉高頻磁場，具有很好的導(dǎo)熱性能，可以幫助永磁體散熱等等，可是也存在一些缺點(diǎn)，比如因?yàn)樽o(hù)套是導(dǎo)電體，要產(chǎn)生一定的損耗，和一些金屬材質(zhì)護(hù)套比較，應(yīng)用碳纖維材質(zhì)進(jìn)行的綁扎帶，具有比較小的厚度，在應(yīng)用過程中也不產(chǎn)生損耗?？墒翘祭w維沒有很好的導(dǎo)熱性，因此，也影響永磁電機(jī)轉(zhuǎn)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(yīng)用碳纖維材質(zhì)作為綁扎帶，在其外部加一層具有很好導(dǎo)電性但是不導(dǎo)磁的金屬材料，可以頻閉高頻磁場，同時消耗也很小。

結(jié)束語：

綜上所述，高速永磁電機(jī)進(jìn)行設(shè)計和分析時，要對其結(jié)構(gòu)和材料等進(jìn)行分析計算，同時要根據(jù)其設(shè)計問題進(jìn)行相應(yīng)的處理。通過對高速永磁電機(jī)的技術(shù)進(jìn)行分析，目前在進(jìn)行電機(jī)耗損、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和溫升計算等方面還需要進(jìn)行深入研究和分析。因此，目前的高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子當(dāng)中需要在結(jié)構(gòu)、工藝和材料等方面進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用；加強(qiáng)研究定子轉(zhuǎn)子的耗損；對相應(yīng)的護(hù)套技術(shù)進(jìn)行深入研發(fā)等等?，F(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)在不斷的發(fā)展和進(jìn)步，我國的高速永磁電機(jī)的相應(yīng)技術(shù)也會得到進(jìn)一步提高和完善，可以在今后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中普遍應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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

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

[3]袁超.高速永磁電機(jī)設(shè)計與分析技術(shù)研討[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)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(jī)設(shè)計工作；