高速永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

高曉峰?楊歡?劉丹

摘要：高速永磁電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域中，并作出了極大的貢獻(xiàn)，如精密制造、能源開發(fā)與航天航空等，應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大。本文首先闡述高速永磁電機(jī)的特點(diǎn)，而后針對設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵問題，展開研究，具體分析材料選用、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與軸承設(shè)計(jì)等方面的關(guān)鍵事項(xiàng)，以此來了解高速永磁電動(dòng)機(jī)，確保其能夠在各種不同的作業(yè)場景下得到有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高速永磁電動(dòng)機(jī);設(shè)計(jì);關(guān)鍵問題

高速電機(jī)的優(yōu)越之處主要體現(xiàn)在并不需要依靠過于復(fù)雜的變速裝置，能夠直接連接原動(dòng)機(jī)或者高速負(fù)載裝置，可靠性良好，運(yùn)行效率高，體積相對比較小且具有比較高的功率密度，運(yùn)行成本并不高，在壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)以及高速機(jī)床等多種領(lǐng)域中都有良好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)探討設(shè)計(jì)高速永磁電機(jī)時(shí)必須重視的關(guān)鍵問題。

1高速永磁電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

高速永磁電機(jī)與普通的高速電機(jī)在功率密度方面有明顯的差異，前者具有極大的功率密度，定子上的散熱面積很小，相對地?fù)p耗密度更高，轉(zhuǎn)子需要面對渦流損耗、風(fēng)磨損耗造成的大幅度溫升以及持續(xù)化的高速轉(zhuǎn)動(dòng)形成的離心力，所以設(shè)計(jì)這種電機(jī)時(shí)，需要重視定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與構(gòu)成材料的選擇。同時(shí)電機(jī)必須具有良好穩(wěn)定的散熱功能。由于這種電機(jī)常常需要面對高頻率運(yùn)轉(zhuǎn)的工作場景，所以其電機(jī)損耗實(shí)際分布情況與損耗特性與普通電機(jī)不同。其受到溫升影響的同時(shí)，還會(huì)因此而出現(xiàn)失磁的問題，需要精準(zhǔn)地控制轉(zhuǎn)子溫升。普通電機(jī)軸承無法在高速電機(jī)中發(fā)揮作用，主要是受到摩擦發(fā)熱現(xiàn)象與離心力的影響，因此要結(jié)合實(shí)際的技術(shù)條件與工作場景為永磁電機(jī)選擇合適的軸承。轉(zhuǎn)子在高速電機(jī)系統(tǒng)中必須承受熱應(yīng)力與離心力，因此所用的永磁體具有的抗拉強(qiáng)度很低，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視轉(zhuǎn)子強(qiáng)度，其使用的支承系統(tǒng)相對復(fù)雜化，進(jìn)行高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)在共振與不平衡作用下，形成大幅度振動(dòng)，情況嚴(yán)重時(shí)，轉(zhuǎn)子還會(huì)產(chǎn)生變形的問題，降低電機(jī)設(shè)備的安全性，維修現(xiàn)場操作人員的安全，所以要通過動(dòng)力學(xué)理論來解決轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)問題。

2選取材料

2.1選擇鐵心材料

高速永磁電機(jī)往往要連續(xù)保持極高的工作頻率，因此定子鐵心的損耗量比較大，且其影響電機(jī)設(shè)備的發(fā)熱性能與運(yùn)行效率，在一定成本條件下，優(yōu)先選擇損耗較小且厚度偏薄的硅鋼片材料;如果成本方面的設(shè)計(jì)要求較為嚴(yán)苛，則可以選擇復(fù)合型的軟磁材料，這一材料經(jīng)由粉末冶金技術(shù)制造，主要組成部分為金屬粉末狀顆粒，其表面具有絕緣性，這種材料不僅具備穩(wěn)定的各相同性磁性能，還可通過壓制工藝將其制備成形狀復(fù)雜的部件。材料的物理結(jié)構(gòu)與渦流損耗直接相關(guān)，盡管損耗比較小，但是相比普通的硅鋼片，其磁滯損耗過大，在高頻運(yùn)行環(huán)境中有更好的使用效果。生產(chǎn)期間，這種鐵心材料依靠模具完成壓制處理工作，而硅鋼片需要采取切片疊壓工藝，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)，前者更利于降低成本。

2.2選擇永磁材料

基于控制高速電機(jī)設(shè)備的整體尺寸的設(shè)計(jì)目標(biāo)，往往會(huì)選擇運(yùn)用高性能型永磁材料，包括燒結(jié)的Smco和NdFeB。而在高速永磁電機(jī)設(shè)備之中，其風(fēng)耗與摩擦損耗同樣非常高，在運(yùn)行條件的制約下，轉(zhuǎn)子難以有效散熱，因此永磁體需要面對高溫作業(yè)環(huán)境。溫度給永磁材料造成的影響集中體現(xiàn)在其性能方面，進(jìn)行永磁材料的選擇時(shí)，必須要注重溫度穩(wěn)定性，做好溫升計(jì)算的準(zhǔn)備工作。

3定子鐵耗

普通型永磁電機(jī)與高速型永磁電機(jī)在電子結(jié)構(gòu)方面具有一致性，基本沒有差異。受到運(yùn)行頻率的影響，定子鐵耗遠(yuǎn)大于銅耗，普通型永磁電機(jī)主要通過交流異步電機(jī)來正確計(jì)算鐵耗。計(jì)算時(shí)需要掌握的信息包括鐵磁材料的軛部鐵耗與齒部鐵耗，軛部與齒部體積以及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，這種方法相對粗糙，只能計(jì)算低頻率運(yùn)行的永磁電機(jī)的鐵耗，但是高速永磁電機(jī)具有較高的工作頻率，難以得到高頻運(yùn)行條件下的硅鋼片的損耗曲線，氣隙磁密可能并不是按照正弦分布，因此計(jì)算結(jié)果具有較大的誤差。

鐵磁材料的主要損耗類型分別是異常渦流損耗、經(jīng)典渦流損耗與磁滯損耗，運(yùn)用有限元時(shí)步法計(jì)算的方法，獲得一定電角度周期中對應(yīng)的磁密波形，重點(diǎn)在于確定損耗系數(shù)，硅鋼片內(nèi)部的磁密具有交變的特點(diǎn)，當(dāng)方向一定時(shí)，磁密大小會(huì)依照正弦規(guī)律發(fā)生變化的。將鐵耗系數(shù)導(dǎo)出后，在交變磁化情況下完成計(jì)算鐵耗的工作。實(shí)際上，電機(jī)定子具有極其復(fù)雜的磁化狀況，部分為橢圓形或者圓形的旋轉(zhuǎn)磁化，還有的屬于交變磁化，磁密的實(shí)際方向與大小都形成了變化。鐵耗的實(shí)際計(jì)算系數(shù)在旋轉(zhuǎn)磁化與交變磁化兩種條件下是存在區(qū)別的，考慮到缺少測試鐵耗處于旋轉(zhuǎn)磁化情況的具體結(jié)果的裝置，可對旋轉(zhuǎn)磁化進(jìn)行分解，從不同的方向上計(jì)算交變磁化，使來自不同方向上的多種磁密變化被簡化。

4轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

4.1轉(zhuǎn)子尺寸

轉(zhuǎn)子在保持高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作時(shí)，必須對形成的離心力進(jìn)行承受，且離心力比較大，因此必須嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)子直徑尺寸，雖然應(yīng)當(dāng)設(shè)置偏小的直徑，但是也不可過小，如果電機(jī)為細(xì)長型，轉(zhuǎn)子直徑過小會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子尺寸不僅與轉(zhuǎn)矩相關(guān)，還和諧振頻率有一定的關(guān)系。進(jìn)行諧振頻率的設(shè)置時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到電機(jī)運(yùn)行頻率，可對高速軸承部件的尺寸進(jìn)行借鑒。

4.2極數(shù)

選定電機(jī)極對數(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮多種不同的因素，包括成本、轉(zhuǎn)矩、功率與轉(zhuǎn)速等。極數(shù)少與極數(shù)多的電機(jī)各有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也各有劣勢，進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇時(shí)必須綜合對比兩種電機(jī)的情況，極數(shù)偏少的電機(jī)具有很高的鐵心使用率，容易實(shí)現(xiàn)制造與加工，但是每極磁通都很大;基于避免軛部磁路出現(xiàn)過度飽和的情況，需要確保軛部厚度數(shù)值足夠大，極數(shù)少的電機(jī)與極數(shù)大的電機(jī)情況安全相反?？紤]到鐵耗方面的問題，若電機(jī)的極數(shù)小，整體運(yùn)行頻率不高，對比極數(shù)高的電機(jī)，整體尺寸更大，因此不能認(rèn)定小極數(shù)電機(jī)形成鐵耗必然也小，還應(yīng)結(jié)合鐵心磁密的實(shí)際大小與轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇。不考慮鐵耗的前提下，如果極數(shù)比較大，功率器件需要進(jìn)行更多次的開關(guān)，增加開關(guān)損耗，一般大極數(shù)型電機(jī)具有的轉(zhuǎn)矩密度也很大。

4.3轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

電機(jī)氣隙磁場的大小與波形是由轉(zhuǎn)子所用的結(jié)構(gòu)決定的，以往的永磁電機(jī)制造與設(shè)計(jì)工作中已經(jīng)形成了不少具有典型特點(diǎn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其在實(shí)踐應(yīng)用過程中得到有效檢驗(yàn)，因此可直接對這些轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，當(dāng)永磁體的體積相同時(shí)，表面貼裝型結(jié)構(gòu)往往能夠獲取出力最大值，進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的轉(zhuǎn)子應(yīng)當(dāng)保護(hù)永磁體，以此來實(shí)現(xiàn)對脫落現(xiàn)象的預(yù)防，可通過碳纖維進(jìn)行捆扎，或者使用不銹鋼材質(zhì)的保護(hù)套;而使用內(nèi)嵌型結(jié)構(gòu)時(shí)，不需針對永磁體實(shí)施保護(hù)措施，但是加工轉(zhuǎn)子的過程較為復(fù)雜;表面貼裝式結(jié)構(gòu)是高速永磁電機(jī)中使用的比較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

5軸承設(shè)計(jì)

軸承在高速電機(jī)設(shè)備中有著極強(qiáng)的重要性，其會(huì)影響到電機(jī)設(shè)備的性能，磁懸浮軸承、氣體潤滑/液體潤滑軸承、角接觸球/深溝球軸承等能夠被應(yīng)用到電機(jī)的高速工作場景中。角接觸球與深溝球軸承都是滾動(dòng)型軸承，應(yīng)用時(shí)能夠表現(xiàn)出極強(qiáng)的可靠性，成本也很低，所以這兩類軸承的使用范圍很廣;工程陶瓷材料在近幾年的材料市場上以極快的速度發(fā)展，優(yōu)點(diǎn)包括彈性模量相對偏大、膨脹系數(shù)比較低、密度低、不具備磁性，同時(shí)兼具耐腐蝕性、耐高溫與耐磨等優(yōu)秀特性。陶瓷材料被用到軸承制造中，制造出的電機(jī)軸承可以更好地在高精度與高速場合中發(fā)揮作用。在流體潤滑理論的基礎(chǔ)上開發(fā)出氣體潤滑與液體潤滑軸承，其主要借助氣體或者液體的彈性墊來提供支撐作用，對比滾動(dòng)式軸承，其可用時(shí)間更長，效率更高且不會(huì)產(chǎn)生摩擦作用，能夠滿足更高轉(zhuǎn)速的場景使用需求，缺點(diǎn)是成本過高。

磁懸浮式軸承依靠磁場力來對物質(zhì)進(jìn)行支撐，不僅不依靠摩擦作用，同時(shí)也不需要進(jìn)行潤滑，更不會(huì)受到使用條件上的限制，可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的方式，來完成對平衡、剛度與阻尼的調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)、功率系統(tǒng)、位置傳感器、繞組是主動(dòng)型軸承的關(guān)鍵組成部分，通過5軸控制體系來維持轉(zhuǎn)子的正常高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，具體包括軸向軸承與徑向軸承。相比其他幾種軸承，磁懸浮軸承擁有更加復(fù)雜的控制體系，整體體積很大，需要有傳感器、電力系統(tǒng)的支持，制造與應(yīng)用成本極高。

6結(jié)論

高速永磁電機(jī)與普通型永磁電機(jī)之間有諸多差異，具體體現(xiàn)在軸承選用、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、鐵耗分析以及可用材料等方面。在實(shí)際進(jìn)行高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分把握設(shè)計(jì)要求，以電機(jī)未來需要面對的工作場景為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，著重分析熱場與電磁場等問題，確保設(shè)計(jì)出先進(jìn)、性能卓越且具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的電機(jī)設(shè)備，并不斷引入新技術(shù)，強(qiáng)化這種電機(jī)的應(yīng)用可行性。

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