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1 研究背景

高速永磁电机具有效率高、功率密度高的优点，在高速机床、鼓风机、压缩机、透平式膨胀机、微型燃气轮机等领域具有广阔的应用前景。但高转速和高功率密度也从温升、机械强度、动力学等诸多方面对电机的设计和分析提出了挑战。本文从定转子材料与结构、损耗分析、温升计算、转子支承技术、转子强度与动力学分析这五大方面总结了高速永磁电机设计与分析中所需解决的问题以及国内外文献中的现有解决方案，并作了相关展望。

2 定转子材料与结构

定子方面，为降低铁耗，目前高速永磁电机中多采用0.2 mm或更薄的硅钢片；为限制铜耗，多采用交叉换位的细铜线。软磁复合材料 (SMC)、非晶合金等材料具有良好的应用前景，但仍缺乏成熟可靠的加工技术。采用1对极结构的电机多采用背绕式定子以降低端部长度，从而提高转子刚度。在采用新型定子材料时，也会应用无槽定子和爪极定子。

转子方面，永磁体材料仍以NdFeB或SmCo稀土材料为主。图1给出了现有文献中最常采用的两种转子结构。目前，转子多采用表贴式结构，并使用合金或复合材料护套，通过过盈配合保护永磁体。内嵌式结构能节约永磁体用量，但强度仍逊于表贴式结构。高强度硅钢片材料的发展有望提升内嵌式结构的可用转速。

图1 两种常见的表贴式转子结构

3 损耗分析

定子铁耗、定子铜耗、转子涡流损耗、风摩损耗是高速永磁电机中最为重要的损耗。计算前三种电磁损耗时，必须计及驱动器带来的谐波、以及交流效应对损耗的影响。目前，有限元技术计算电磁损耗的技术已经较为成熟。但为节约设计时间，定子交流铜耗、转子涡流损耗的解析法建模仍有较大应用空间。风摩损耗可借助传统的经验公式计算，也可以通过计算流体力学(CFD)求得数值结果。

4 温升计算

常用的计算方法有热网络法(LPTN)、有限元法(FEM)以及计算流体力学(CFD)三种。前二者计算速度快，但精度依赖于传热条件的设定。CFD法能够自动求解出传热系数，但建模计算速度慢。目前的应用趋势是将几种方法相结合，在设计与分析的不同阶段采用不同的策略。如图2所示，借助流固耦合和共轭传热建模技术，可以同时求解高速电机内部或外部的流体情况、温升分布情况。无需借助经验方法确定各部分的对流传热系数，即可得到较LPTN、FEM更为精确、详尽的结果。

图2 某型号高速永磁电机流场和温度场CFD结果

5 高速电机转子支承技术

滚珠轴承、磁悬浮轴承和空气轴承在高速永磁电机中均有所应用。滚珠轴承受限于其DN数(轴承内径D与转速N的乘积)。采用陶瓷球技术和更先进的冷却技术能够提高其DN数。空气轴承分为静力学型和动力学型，具有精度高的优点，在电主轴和流体机械中有所应用。磁悬浮轴承可在一定范围内灵活调整刚度和阻尼，在高速场合有很好的应用前景，但支承刚度相对于其他两种仍较低。目前有学者将磁悬浮轴承集成于电机内，催生了无轴承电机相关研究。

6 转子强度与动力学分析

进行强度计算时，对于简单的表贴式转子，解析法和FEM均能满足精度要求。但对于结构复杂的转子或内嵌式转子，则需借助FEM精确求解。目前主流的动力学分析方法是建立转子的等效梁单元或实体FEM模型，进行数值求解。

7 总结与展望

从现有文献看，高速永磁电机主要技术发展方向有：新材料、新工艺、新结构在定转子上的应用；考虑涡流影响的电机电磁场三维有限元分析；定转子损耗机理的深入探究与实用计算技术；高速电机转子支承技术；结合电磁场、温度场、流场、应力场、声场的多物理场分析与优化设计技术；计算机集群计算在电机设计与分析中的应用等。随着国内外相关技术的发展以及高速永磁电机的推广应用，高速永磁电机的设计必将完成从可行性设计到优化设计的转变。