高速永磁電機(jī)的綜合分析與設(shè)計(jì)

羅奇棟　陳丹妮

摘 要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高速永磁電動機(jī)也迎來了全新的發(fā)展。當(dāng)前高速永磁電動機(jī)的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及領(lǐng)域有航空航天、新能源應(yīng)用、精密儀器制造等等。但是，在應(yīng)用過程中，依然存在很多問題亟需解決，如電磁的干擾、機(jī)械的匹配和溫升的物理限制因素等。在此，本文將結(jié)合非晶合金的材料對其進(jìn)行設(shè)計(jì)上的思考，利用多物理場的研究方法對其進(jìn)行整體性的試驗(yàn)，并詳細(xì)分析高速永磁電動機(jī)中關(guān)于轉(zhuǎn)子應(yīng)受力的范圍和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速對于軸承支撐剛度的要求以及高速非晶合金在永磁電機(jī)中的損耗分布等特征。筆者希望通過此次研究可以有效印證高速永磁電動機(jī)的設(shè)計(jì)理念，并且可以為將來的研究提供可靠的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：告訴永磁電機(jī);非晶合金;設(shè)計(jì)方法;多物理場

高速永磁電機(jī)具有體積小、功率高、密度大的特點(diǎn)。因此被廣泛應(yīng)用于各個生產(chǎn)制造領(lǐng)域中。但是，高速永磁電機(jī)自身的轉(zhuǎn)速是影響其工作性能和工作效率的一大要素。在高速永磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)的時候，會造成永磁電機(jī)內(nèi)置的鐵心損耗。為有效解決這一問題，就必須要對內(nèi)置鐵心進(jìn)行材料上的代替與更換。在此，就以非晶合金材料對其進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，以此來提高高速永磁電機(jī)的工作效率，降低電動機(jī)自身轉(zhuǎn)動的損耗，從而有效彌補(bǔ)高速永磁電機(jī)的缺陷。

一、多物理場理念的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思路

若想利用非晶合金材料對電機(jī)內(nèi)置裝置進(jìn)行升級與改造，必然會受到多物理場的影響和干擾。比如：電磁的干擾、機(jī)械的匹配以及溫升的物理作用等。所以，如果想對電機(jī)進(jìn)行更加完美的升級與改造，必然需要考慮各種物理因素，并且實(shí)現(xiàn)其耦合迭代的作用。在此，可衍生出關(guān)于多物理場理念的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思路：第一，選取電機(jī)規(guī)格，考慮臨界轉(zhuǎn)速和材料強(qiáng)度。第二，結(jié)合基礎(chǔ)法理測試損耗量以及溫升反應(yīng)，并對機(jī)械匹配進(jìn)行研究，以此完成電機(jī)的框架設(shè)計(jì)。第三，利用有限元計(jì)算模型對其進(jìn)行檢驗(yàn)。

二、電機(jī)電磁設(shè)計(jì)需要考慮的因素

（一）非合金材料以及電機(jī)性能參數(shù)

通過對大量參考文獻(xiàn)的研讀以及對國內(nèi)外高速永磁電機(jī)升級改造相關(guān)內(nèi)容的分析，在此得出結(jié)論為：非晶合金材料的特點(diǎn)是脆、硬度高、薄。非晶合金材料的厚度僅僅為0.025毫米，在這一厚度范圍之內(nèi)，可以有效控制電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對于鐵心的損耗。

（二）非晶合金的永磁電機(jī)極槽配合

非晶合金和平常的鈦合金相比較，其材料性質(zhì)更加敏感，且對加工工藝的要求也更高。在加工過程中，工作人員稍有不慎就會導(dǎo)致非晶合金材料的損壞和局部的惡化。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)分析之后得出：當(dāng)永磁電機(jī)的規(guī)格和大小以及尺寸不出現(xiàn)較大變化時，槽的寬度會隨著電機(jī)槽數(shù)量的增加而不斷地縮小。當(dāng)定子槽寬度縮小之后，便會導(dǎo)致整個加工作業(yè)流程擴(kuò)大范圍，并且會對永磁電機(jī)的齒部造成巨大的損害。為有效防止這一問題的發(fā)生，需要操作人員在加工的過程中把握定子齒數(shù)的數(shù)量以及損耗程度，并且要選取齒寬較大的、槽數(shù)較少的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互配合。但是，少槽一般又是引起永磁電機(jī)損耗增加的第一原因，而且會使其產(chǎn)生巨大的熱能無法釋放，在熱量釋放不出的情況下，便會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的溫度急劇上升，甚至?xí)褂来烹姍C(jī)出現(xiàn)退磁的情況。

三、高速內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)思考

（一）永磁轉(zhuǎn)子受力

在高速永磁電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，轉(zhuǎn)子的表面會出現(xiàn)極強(qiáng)的離心力，如果將該離心力應(yīng)用在轉(zhuǎn)子隔磁橋之上，就會導(dǎo)致隔磁橋出現(xiàn)扭曲變形，并且會讓隔磁橋承受巨大的力。這一狀況最終所導(dǎo)致的結(jié)果就是：極有可能引起隔磁橋的功能故障甚至是完全壞死，從而導(dǎo)致高速永磁電動機(jī)無法正常工作以至于完全癱瘓失靈。

（二）強(qiáng)度有限元分析

經(jīng)過前期對于相關(guān)數(shù)據(jù)的分析與研究，以及對國內(nèi)外參考文獻(xiàn)的研讀和思考，在此我們得出以下結(jié)論：對于永磁電機(jī)的整體設(shè)計(jì)，需要從轉(zhuǎn)子方向入手，并且要對轉(zhuǎn)子的每一極永磁體進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)化與鞏固，從而使其成為一個兩段式的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)。通過這樣的方法，第一可以有效強(qiáng)化永磁轉(zhuǎn)子的機(jī)械韌性與強(qiáng)度，并且還能提高永磁電機(jī)的工作效率。第二可以大大降低永磁電機(jī)在高速轉(zhuǎn)動過程中因?yàn)檗D(zhuǎn)矩輸出的巨大動能而造成的電機(jī)消磁和漏磁現(xiàn)象，以保障永磁電機(jī)的正常工作。

四、轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速

在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)動的過程中，電機(jī)中的轉(zhuǎn)子各微段質(zhì)心無法實(shí)現(xiàn)全部正確處于回轉(zhuǎn)軸上，所以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的時候，會發(fā)生橫向干擾的情況，甚至在特殊情況下轉(zhuǎn)動過程中還會出現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的劇烈抖動現(xiàn)象，以上情況在此均統(tǒng)稱為是“臨界轉(zhuǎn)速”。為了有效確保永磁電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并且可以正面回避電機(jī)系統(tǒng)因?yàn)閯×叶秳佣a(chǎn)生的損害，操作人員在對其進(jìn)行操作的過程中要注意控制轉(zhuǎn)子工作的速度，盡量避免使其接近臨界轉(zhuǎn)速的點(diǎn)。因?yàn)檗D(zhuǎn)子的形狀非常復(fù)雜。所以，對于臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算可以通過近似數(shù)以及約等于的方法來進(jìn)行。在此，對于精度的要求并不是很高，操作人員便可利用瑞利法對其臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行一階近似值的計(jì)算。此次研究過程中的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)屬于兩端滾動的軸承支撐結(jié)構(gòu)，永磁軸承的動態(tài)特征和具體參數(shù)是印證軸承剛度的有力證據(jù)。此外，電機(jī)的大小和規(guī)格變化也是直接影響軸承和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的一個重點(diǎn)。

五、高速永磁電機(jī)溫度場

（一）物理建模

對電機(jī)中的銅線絕緣漆以及浸漆狀態(tài)進(jìn)行過詳細(xì)的分析之后，便可把槽中的兩層銅線作為單獨(dú)的導(dǎo)熱線進(jìn)行利用，另外，可以將其他的絕緣材料當(dāng)做是一個較為龐大的導(dǎo)熱體。在此基礎(chǔ)上，高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子便可以進(jìn)行高速度的旋轉(zhuǎn)，同時還可以通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)帶動起空氣的流動，促使其氣隙更加流暢，此時定轉(zhuǎn)子也可以利用對流的趨勢實(shí)現(xiàn)熱能的交換。為了再次對其計(jì)算過程進(jìn)行簡化，操作人員還可以利用引導(dǎo)氣隙的方式進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算，并且可以對氣隙進(jìn)行高效的控制與處理，以實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜止?fàn)顟B(tài)的處理。

（二）熱源溫度

非晶合金材料與傳統(tǒng)的鈦合金材料和其他材料想對比具有明顯的優(yōu)勢。特別是對于熱平衡的實(shí)現(xiàn)能力，以及降低電機(jī)損耗的能力是其他材料所不能代替的。因?yàn)榉蔷Ш辖鸷透咚傩D(zhuǎn)的個屬性，促使電損耗的分布發(fā)生了變化，使其特征不同于常規(guī)模式下的電機(jī)。因此，電機(jī)的損害就會在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生巨大的熱量，并且可以將進(jìn)行有效的交換與傳導(dǎo)，從而始終保持熱能的平衡。

六、結(jié)束語

此次研究重點(diǎn)分析了非晶合金在高速永磁電動機(jī)內(nèi)置裝置升級與改造的方法，提出了如何改善永磁體抗溫升的方法以及抗強(qiáng)度的策略。但是，源于當(dāng)前制作工藝對于非晶合金材料的制作水平，需要通過長期的優(yōu)化與完善才可以實(shí)現(xiàn)該研究計(jì)劃的全面落實(shí)與執(zhí)行。在轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度方面，雖然很多軟件和系統(tǒng)都可以對其進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算，但是因?yàn)檗D(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中會受到多物理場的影響，所以還需要相關(guān)研究人員對其進(jìn)行物理方面的干預(yù)，使其計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)理念更為成熟。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳昊坤，黃科元，呂維，莫曉玲，黃守道.用于高速永磁電機(jī)的Z源逆變器直流鏈電壓控制策略[J/OL].電工技術(shù)學(xué)報(bào)：1-10[2019-10-10].

[2]戈寶軍，劉海濤，王立坤，林鵬，陶大軍，于嵐.LNG泵用低溫高速永磁電機(jī)三維電磁場與渦流損耗的分析計(jì)算[J/OL].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)：1-10[2019-10-10].