高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)綜述

王慶凱?孫超?夏立德?劉軍

摘要：隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，電機(jī)被廣泛應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。所以對(duì)于高速永磁電機(jī)的研究，可以有效地提高生活中的便捷性。由于電機(jī)本身的特殊性，在對(duì)高速永磁電機(jī)展開研究時(shí)，要分析影響電機(jī)的多種因素，評(píng)估電磁、機(jī)械、溫升對(duì)電機(jī)實(shí)際產(chǎn)生的干擾作用，針對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的研究。探索高速永磁電機(jī)在物理場(chǎng)的影響下會(huì)產(chǎn)生何種反應(yīng)，對(duì)非晶合金材料的作用進(jìn)行深入解讀，基于多種探究方案，對(duì)高速永磁電機(jī)的額設(shè)計(jì)與分析進(jìn)行試驗(yàn)，從而檢驗(yàn)出不同情況下的電機(jī)實(shí)際性能，對(duì)高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)提供有效的建議和設(shè)計(jì)方案。

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

引言：

近年來，科技水平的迅速提升，給人們的生活帶來了翻天覆地的變化，而不斷地提升電機(jī)的性能和應(yīng)用效果，也成為了新時(shí)期全新工作要求。由于高速永磁電機(jī)的特殊性能，不僅對(duì)日常生產(chǎn)生活產(chǎn)生重要影響，還可以應(yīng)用在多種高尖端技術(shù)領(lǐng)域，例如飛機(jī)、輪船等領(lǐng)域，都能發(fā)揮出重要的作用。電機(jī)在實(shí)際的使用過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，會(huì)使鐵心的實(shí)際損耗情況越強(qiáng)，所以想要提升電機(jī)的使用性能，就要針對(duì)生產(chǎn)加工的材料進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，選擇更具性能優(yōu)勢(shì)的非晶合金材料，就可以明顯的提升電機(jī)的實(shí)際性能，有效降低鐵心的損耗情況，解決了電機(jī)的使用壽命縮減的問題。在材料的選擇上，受到電機(jī)的自身特性所影響，僅僅選擇非晶合金作為材料還不能達(dá)到預(yù)期成效，還學(xué)要針對(duì)性地對(duì)其他問題進(jìn)行改善。在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，還要充分的考慮到電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁情況，要根據(jù)電機(jī)的具體要求來保障實(shí)際運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。如果電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠科學(xué)合理，就不能讓電機(jī)的功能充分地發(fā)揮出來，還會(huì)減少高速永磁電機(jī)的使用壽命，甚至出現(xiàn)電機(jī)使用故障問題。所以對(duì)高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，在新時(shí)期具有重要意義和作用。

1.對(duì)高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的研究

1.1對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的研究

高速永磁電機(jī)在社會(huì)生產(chǎn)生活中的多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，都能得到了有效地應(yīng)用。在高速永磁電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)轉(zhuǎn)子在其中發(fā)揮了重要的作用，電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心作用力，也會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度過快而造成溫度過高的問題，影響電機(jī)中轉(zhuǎn)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使電機(jī)的運(yùn)行遇到故障情況。所以想要提升高速永磁電機(jī)的使用性能，就要針對(duì)轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行改良和優(yōu)化，讓電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性得到提升。這就需要對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，讓轉(zhuǎn)子能夠以一個(gè)安全的轉(zhuǎn)速持續(xù)運(yùn)行，同時(shí)解決轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致溫度過高的問題，讓電機(jī)能夠降低損耗，延長使用周期。想要實(shí)現(xiàn)這一目的，就需要改善轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，選擇耐熱和較高矮頑力的永磁材料，讓電機(jī)的運(yùn)行處于更加平穩(wěn)的狀態(tài)。選擇這樣的材料解決了以上問題的同時(shí)，還能夠兼具多種優(yōu)勢(shì)，包括抗壓和抗撓能力，都會(huì)得到大幅度的增強(qiáng)，讓轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，采用表貼式和兩極圓柱式，讓電機(jī)的性能得到充分的提升[1]。

1.2對(duì)電機(jī)定子設(shè)計(jì)的研究

電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，不僅有轉(zhuǎn)子發(fā)揮了重要作用，其中定子也起到了重要的散熱作用，所以想要提升電機(jī)的使用性能，也要對(duì)定子的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行改良。定子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，通過采用環(huán)形繞組的形式，來解決電機(jī)的多種問題，還有助于提升電機(jī)轉(zhuǎn)子的剛度。其中采用環(huán)形繞還能夠幫助增強(qiáng)散熱效果，讓電機(jī)在實(shí)際的使用下，提高安全性。而對(duì)定子的結(jié)構(gòu)調(diào)整，還需要注意與轉(zhuǎn)子的作用力相互匹配，通過多項(xiàng)技術(shù)的同步調(diào)整，才能使電機(jī)的性能最大化地提升。并且對(duì)定子材料進(jìn)行升級(jí)，選擇無取向硅鋼片作為定子材料，能夠顯著地增加電機(jī)的穩(wěn)定性[2]。

2.高速永磁電機(jī)分析技術(shù)

2.1電機(jī)損耗分析

在實(shí)際使用過程中，電機(jī)的損耗問題，是現(xiàn)階段高速永磁電機(jī)遇到的最受關(guān)注的問題，由于電機(jī)自身的特性，在運(yùn)行時(shí)會(huì)讓定子產(chǎn)生一定的損耗，例如鐵耗或者銅耗，從而讓電機(jī)的使用壽命受到影響。所以在對(duì)高速永磁電機(jī)進(jìn)行研究和分析時(shí)，很多學(xué)者和專家都對(duì)定子產(chǎn)生損耗的問題進(jìn)行了深入的研究。針對(duì)定子鐵耗的問題，通過對(duì)比損耗的方式，在指定頻率和磁密下的定子運(yùn)行損耗進(jìn)行記錄，經(jīng)過多次的試驗(yàn)對(duì)比，可以得出鐵耗的數(shù)據(jù)結(jié)果。對(duì)于銅耗的分析，可以通過構(gòu)建模型的方式進(jìn)行測(cè)算，最終得出定子銅耗的數(shù)據(jù)結(jié)論。與此同時(shí)，在對(duì)高速永磁電機(jī)的研究中，可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的損耗進(jìn)行分析，利用多種解析方式，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗問題進(jìn)行計(jì)算，得出轉(zhuǎn)子的渦流損耗數(shù)據(jù)情況[3]。

2.2電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的研究

由于高速永磁電機(jī)的特殊性，在研究過程中，分析電子轉(zhuǎn)子的實(shí)際運(yùn)行情況，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，從而產(chǎn)生較大的損耗問題。所以在對(duì)高速永磁電機(jī)的分析時(shí)，想要確保電機(jī)的安全性，就要解決電機(jī)轉(zhuǎn)子的損耗問題。需要針對(duì)性地對(duì)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障電機(jī)轉(zhuǎn)子的剛度和強(qiáng)度都能夠符合標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)要求。一般來說，在對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行研究時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)通常相對(duì)簡單，可以通過專業(yè)技術(shù)運(yùn)算得出轉(zhuǎn)子的應(yīng)力數(shù)據(jù)。而對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行研究和分析時(shí)，就需要利用FEM的方式進(jìn)行深入的研究。尤其對(duì)于轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度問題，需要關(guān)注它的轉(zhuǎn)速和動(dòng)力問題帶來的影響，從而提高研究的準(zhǔn)確性[4]。

2.3電機(jī)溫升問題的研究

高速永磁電機(jī)的運(yùn)行，會(huì)由于內(nèi)部轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生溫度升高的問題，讓電機(jī)受到高溫的影響，造成一定程度的損耗，導(dǎo)致高速永磁電機(jī)的使用壽命縮短。想要解決電機(jī)溫升的問題，就需要對(duì)溫度升高的具體情況進(jìn)行研究，通過數(shù)據(jù)運(yùn)算，找出問題的關(guān)鍵所在。現(xiàn)階段主要采用以下幾種方式進(jìn)行溫升的計(jì)算：（1）LPTN法，這種算法主要是通過對(duì)電機(jī)溫度進(jìn)行模擬，計(jì)算出對(duì)流傳熱熱阻數(shù)據(jù)。（2）FEM法，采用這種方法進(jìn)行計(jì)算，主要是采用二維和三維的運(yùn)算方法，通過構(gòu)建模型，來進(jìn)行計(jì)算。在FEM法的運(yùn)算過程中，要確保傳熱條件的準(zhǔn)確性，否則就會(huì)對(duì)運(yùn)算數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。所以在實(shí)際的測(cè)算過程中，經(jīng)常與第一種方法同時(shí)使用，能夠改進(jìn)第一種方法計(jì)算出現(xiàn)的問題。（3）CFD法，相比于第一種和第二種計(jì)算方式，這種方法只需要單純的進(jìn)行運(yùn)算就能夠?qū)崿F(xiàn)，具有更高的準(zhǔn)確性。利用構(gòu)建傳熱模型的方式，就可以精準(zhǔn)地計(jì)算出數(shù)據(jù)。所以這種CFD法具有更高的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)。但是在實(shí)際運(yùn)算過程中，這種方式的運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜，所需計(jì)算的時(shí)間更多，所以不能夠被廣泛地應(yīng)用。由于這一問題的出現(xiàn)，很多專家和技術(shù)人員在實(shí)際使用時(shí)，通常將這種運(yùn)算方式，與第一種進(jìn)行混合使用，不僅能夠達(dá)到計(jì)算要求，還能夠提高計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[5]。

綜上所示，在近幾年的發(fā)展過程中，信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)高速永磁電機(jī)的研究逐漸深入，對(duì)于高速永磁電機(jī)的穩(wěn)定性和安全性提出了更高的生產(chǎn)要求，所以CFD法將會(huì)在未來較長一段時(shí)間內(nèi)發(fā)揮重要的作用，這種算法的使用，可以保障電機(jī)的使用性能提升。高速永磁電機(jī)未來的發(fā)展方向，也主要面向全新的生產(chǎn)材料、更加先進(jìn)的加工工藝、更優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方向，在定子和轉(zhuǎn)子的研究上進(jìn)一步的深化，研發(fā)出更加精確且便捷的計(jì)算方法，引入信息技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，促使高速永磁電機(jī)得到進(jìn)一步宣傳和推廣，被應(yīng)用在更多技術(shù)行業(yè)[6]。

3.結(jié)束語

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，對(duì)于高速永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)與材料的研究，成為了現(xiàn)階段提升電機(jī)性能的重要研究任務(wù)。對(duì)于轉(zhuǎn)子與定子的分析，可以改進(jìn)和優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)和材料，讓高速永磁電機(jī)的損耗降低，延長電機(jī)的使用周期，并且有效地提升電機(jī)的安全性與穩(wěn)定性，讓高速永磁電機(jī)能夠應(yīng)用在更加廣闊的技術(shù)領(lǐng)域。本文從電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子結(jié)構(gòu)與材料入手，分析了電機(jī)的損耗問題受到哪些因素的影響，讓大家更加清晰地了解到高速永磁電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造，為日后電機(jī)的生產(chǎn)和加工提供意見和建議，從而助推高速永磁電機(jī)的制造工藝水平提升，幫助行業(yè)獲得進(jìn)一步的發(fā)展。

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