關(guān)于高速永磁電機(jī)綜合設(shè)計(jì)的思考

趙竹強(qiáng)

（山東百特電機(jī)電器有限公司，山東煙臺(tái)，265718）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高速永磁電機(jī)被廣泛運(yùn)用到儲(chǔ)能飛輪、高速機(jī)床、分布式供電等場所中，高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速超過10000r／min，運(yùn)行可靠性強(qiáng)，過載能力強(qiáng)、功率密度高、相同輸出功率下，該電機(jī)的尺寸較小，是中低速電機(jī)的二分之一，不僅提高了工作效率，還節(jié)約了材料。由于結(jié)構(gòu)較為簡單、裝配費(fèi)用，運(yùn)行可靠，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，沒有勵(lì)磁損耗，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可直接連接負(fù)載，促進(jìn)傳功效率的提升，所以工業(yè)領(lǐng)域中得到較為廣泛的應(yīng)用，并獲得的良好的成效。

2 高速永磁電機(jī)的特征

較普通電機(jī)不同，高速永磁電機(jī)具有以下兩點(diǎn)特征，第一，在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在離心力作用下，永磁體軸承摩擦力越來越大，為保障電機(jī)高速穩(wěn)定運(yùn)行，在電機(jī)中專門設(shè)置了轉(zhuǎn)子永磁體保護(hù)結(jié)構(gòu)、磁懸浮軸承以及動(dòng)壓氣浮軸承。所以高速永磁電機(jī)機(jī)械性能顯著高于普通電機(jī)、第二，電機(jī)風(fēng)中靜磁芯磁通和三相電流的角頻率應(yīng)保持在數(shù)百Hz以上。在變頻的影響下高頻附加損耗會(huì)越來越大，基于此，需選擇電導(dǎo)率低的導(dǎo)電材料需要選擇低導(dǎo)電性的導(dǎo)電材料，如低比損耗的靜電芯，與之相應(yīng)的定子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減少損耗，從整體上促進(jìn)電機(jī)效率的全面提升。

3 高速永磁電機(jī)的綜合設(shè)計(jì)流程

由于高速永磁電機(jī)的特殊性，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中會(huì)受到各種物理參數(shù)的制約，比如，電磁、機(jī)械、溫度升高等。所以該設(shè)計(jì)過程是合金在不同物理場參數(shù)之間的迭代過程。具體如圖1所示，具體的綜合設(shè)計(jì)流程見圖1所示。在電機(jī)的過程中要科學(xué)的設(shè)計(jì)電機(jī)相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而才能進(jìn)一步滿足電機(jī)性能要求，另外，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中要從方面多角度地思考電子機(jī)械的可靠性?；诖诉x擇合理的電機(jī)尺寸，之后在根據(jù)實(shí)際情況，利用計(jì)算機(jī)或是信息我技術(shù)有效地是設(shè)計(jì)出電機(jī)相關(guān)物理場參數(shù)，為設(shè)計(jì)過程中要確保每個(gè)環(huán)節(jié)計(jì)算的精準(zhǔn)性，因?yàn)橹苯雨P(guān)系到電機(jī)的最終性能［1］。

圖1 高速永磁電機(jī)整合設(shè)計(jì)流程圖

4 材料性能與電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

4.1 電機(jī)性能和非晶合金材料參數(shù)

基于非晶合金帶材的特征看，其僅有0.025mm厚度，且具有薄、脆、硬等特征，并且將其應(yīng)用于高頻電機(jī)之中，能夠充分展現(xiàn)其物理特性優(yōu)勢(shì)，大幅降低電機(jī)鐵心的損耗，達(dá)到最佳的應(yīng)用效果［2］。硅鋼片與非晶合金帶材性能對(duì)比以及高速非晶合金永磁電機(jī)性能分析具體見表1、表2所示：

表1 材料性能對(duì)比

表2 電機(jī)性能參數(shù)

4.2 非晶合金永磁電機(jī)極槽配合

眾所周知，非晶合金帶材這種材料較為特殊，對(duì)加工工藝非常敏感，如果加工工藝不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致非晶合帶材料性能受損，若在設(shè)計(jì)過程中固定了電機(jī)外形尺寸，在電機(jī)的運(yùn)行過程中電機(jī)槽數(shù)的變化與其槽數(shù)呈反比，即槽數(shù)數(shù)量越多則其槽數(shù)越小，那么這個(gè)時(shí)候電機(jī)的齒部損耗也定會(huì)受到定子槽寬度的影響［3］。由于這種電機(jī)的特殊性，在受到變頻器輸出頻率和鐵心損耗等因素的制約下，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中主要以極數(shù)較少的結(jié)構(gòu)為主，以此規(guī)避不利因素的干擾和影響。如為降低電機(jī)運(yùn)行頻率，避免電機(jī)鐵心的損耗，可以選擇2極結(jié)構(gòu)實(shí)施設(shè)計(jì)，但其缺點(diǎn)也是顯而易見的，即其繞組端部長，會(huì)增加電機(jī)銅耗，且使用較長的鐵心時(shí)，易對(duì)高速轉(zhuǎn)子剛性產(chǎn)生影響，無形之中使設(shè)計(jì)復(fù)雜性成倍增加。

而隨著現(xiàn)代科技的快速迭代，電機(jī)變頻輸出頻率要求更高，均以上千赫計(jì)，因此為突出設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面的瓶頸，必須使用非晶合金材料，以突顯其高頻低耗的特性。本文選擇4極結(jié)構(gòu)。不同的極槽配合對(duì)電機(jī)具有不同的影響，具體見表3，一般來說，少槽結(jié)構(gòu)齒寬較大，能在很大程度上規(guī)避對(duì)加工對(duì)定子齒部性能的影響，相應(yīng)地如果少槽結(jié)構(gòu)就會(huì)增加電子轉(zhuǎn)子損耗，所以在具體的運(yùn)行過程中就產(chǎn)生大量的熱量，無法散發(fā)轉(zhuǎn)子熱量，出現(xiàn)溫度升高的情況，導(dǎo)致永磁體退磁，針對(duì)于此，在本次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員為滿足相關(guān)要求，選擇4極18槽的極槽配合。

表3 不同極槽配合下的電機(jī)性能

5 高速內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

在高速永磁電機(jī)運(yùn)行中的同時(shí)電子轉(zhuǎn)子會(huì)隨著電子高頻旋轉(zhuǎn)，如此一來，電子轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中就產(chǎn)生較大摩擦力和離心力，自然電機(jī)溫度較高［4］。為保障電機(jī)的運(yùn)行安全性，需重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的管理，并根據(jù)電機(jī)低損耗和耐高溫構(gòu)建穩(wěn)定的管控體系。

所以，我們?cè)诰唧w的設(shè)計(jì)過程中，要借助各種途徑，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析，并結(jié)合實(shí)際，深度整合其材料和結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)電子轉(zhuǎn)子材料過程中，要充分借助矯頑力較高的水磁材料，這種材料具有良好的抗擾程度，穩(wěn)定性也較高，能有效承受一部分離心力。另外，設(shè)計(jì)人員再在集中設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的過程中共，要借助兩極度圓柱水磁結(jié)構(gòu)和表貼士水磁結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)材料的作用。

5.2 電機(jī)定子設(shè)計(jì)

由于高速永磁機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度快，會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力和離心力，所以在內(nèi)部設(shè)置了電機(jī)電子幫助其散熱，電機(jī)定子的材料、結(jié)構(gòu)與電機(jī)定子實(shí)際損耗程度息息相關(guān)，針對(duì)于此，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合實(shí)際情況，集中處理問題，優(yōu)化材料設(shè)計(jì)。特別是在設(shè)計(jì)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的過程中為保障設(shè)計(jì)的有效性，經(jīng)常使用環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)模式這種模式能夠進(jìn)一步完善優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能達(dá)到減少電急轉(zhuǎn)子長度參數(shù)的目的，對(duì)電子轉(zhuǎn)子的剛度進(jìn)行優(yōu)化方面至關(guān)重要，環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)中內(nèi)槽和外操均在優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，保障運(yùn)行暢通和渠道應(yīng)用方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)人員在電機(jī) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，齒槽對(duì)影響電子轉(zhuǎn)子的損耗，所以在設(shè)計(jì)中可采取0.2毫米的無取向硅鋼片，增加電機(jī)氣隙長度增加，以此達(dá)到全面提升電機(jī)抗損耗能力的目的。

6 高速內(nèi)置式永磁電機(jī)溫度場分析

6.1 冷卻方式

高速永磁電機(jī)不管是在頻率還是轉(zhuǎn)速方面顯著高于常規(guī)轉(zhuǎn)速永磁電機(jī)，由于自身的特征，其損耗分布特性也與常見永磁電機(jī)具有較大區(qū)別。在設(shè)計(jì)過程中為進(jìn)一步降低鐵新?lián)p耗，我們通常都會(huì)使用非晶合金材料，盡管這種材料具有諸多優(yōu)勢(shì)，但是不可否認(rèn)的也帶來了諸多弊端，比如，轉(zhuǎn)子鐵心損耗、轉(zhuǎn)子摩擦損耗等，為更好地散熱，防止溫度過高影響電子的運(yùn)采用混合冷卻、分冷、油冷、水冷等方式，為節(jié)約成本在本次研究中主要采用旋水道冷卻方式。

6.2 物理模型的建立

由于定子槽內(nèi)繞組往往呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)，可從以下幾點(diǎn)入手，（1）電機(jī)浸漆填充均勻且狀態(tài)良好；（2）確保銅線絕緣漆分布均勻；（3）忽略股線間溫差。據(jù)此，可以對(duì)定子槽內(nèi)實(shí)施劃分，即將槽內(nèi)上下層銅線和絕緣材料分別視為兩個(gè)不同導(dǎo)熱體，前者周邊與槽壁平行，而后者均勻分布于槽內(nèi)，如圖2所示。

圖2 槽內(nèi)等級(jí)效繞組

高速永磁電機(jī)在測試中，其永磁轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，并利用其較高的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)空氣在氣隙中流動(dòng)，采取對(duì)流的方式與定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱交換效應(yīng)。同時(shí)，由于在運(yùn)行過程中對(duì)流換熱就進(jìn)一步加劇溫度場與流體場的運(yùn)動(dòng)，如此一來二者必定會(huì)產(chǎn)生耦合效應(yīng)，進(jìn)一步增加了優(yōu)化的難度。

因此，為簡化計(jì)算分析及設(shè)計(jì)難度，可利用導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)施分析與應(yīng)用，挖掘空氣流動(dòng)與靜止流體間的等效導(dǎo)熱能力，且定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的導(dǎo)熱量需要在單位時(shí)間內(nèi)，與空氣中所傳遞熱量之間保持相等，經(jīng)等效處理后可視旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子為靜止?fàn)顟B(tài)，如此使導(dǎo)熱方式及換熱的效果達(dá)到平衡，使電機(jī)該熱效設(shè)計(jì)趨于科學(xué)合理。

7 結(jié)語

總之，在高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中，通過對(duì)電機(jī)耐溫水平和永磁抗拉強(qiáng)度的改善和優(yōu)化，能從整體上提升永磁機(jī)的功率性能和轉(zhuǎn)速性能。受當(dāng)前工藝的制約，為達(dá)到上述設(shè)計(jì)目的，還需不斷探索，在當(dāng)前研究過程中，我們主要以有限元方法為主，雖然這種方法在改善計(jì)算精度，但是影響轉(zhuǎn)子的因素比較多，所以在今后我們還需加大研究力度。