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1 研究背景

高速永磁電機具有效率高、功率密度高的優點，在高速機牀、鼓風機、壓縮機、透平式膨脹機、微型燃氣輪機等領域具有廣闊的應用前景。但高轉速和高功率密度也從溫升、機械強度、動力學等諸多方面對電機的設計和分析提出了挑戰。本文從定轉子材料與結構、損耗分析、溫升計算、轉子支承技術、轉子強度與動力學分析這五大方面總結了高速永磁電機設計與分析中所需解決的問題以及國內外文獻中的現有解決方案，並作了相關展望。

2 定轉子材料與結構

定子方面，爲降低鐵耗，目前高速永磁電機中多采用0.2 mm或更薄的硅鋼片；爲限制銅耗，多采用交叉換位的細銅線。軟磁複合材料 (SMC)、非晶合金等材料具有良好的應用前景，但仍缺乏成熟可靠的加工技術。採用1對極結構的電機多采用背繞式定子以降低端部長度，從而提高轉子剛度。在採用新型定子材料時，也會應用無槽定子和爪極定子。

轉子方面，永磁體材料仍以NdFeB或SmCo稀土材料爲主。圖1給出了現有文獻中最常採用的兩種轉子結構。目前，轉子多采用表貼式結構，並使用合金或複合材料護套，通過過盈配合保護永磁體。內嵌式結構能節約永磁體用量，但強度仍遜於表貼式結構。高強度硅鋼片材料的發展有望提升內嵌式結構的可用轉速。

圖1 兩種常見的表貼式轉子結構

3 損耗分析

定子鐵耗、定子銅耗、轉子渦流損耗、風摩損耗是高速永磁電機中最爲重要的損耗。計算前三種電磁損耗時，必須計及驅動器帶來的諧波、以及交流效應對損耗的影響。目前，有限元技術計算電磁損耗的技術已經較爲成熟。但爲節約設計時間，定子交流銅耗、轉子渦流損耗的解析法建模仍有較大應用空間。風摩損耗可藉助傳統的經驗公式計算，也可以通過計算流體力學(CFD)求得數值結果。

4 溫升計算

常用的計算方法有熱網絡法(LPTN)、有限元法(FEM)以及計算流體力學(CFD)三種。前二者計算速度快，但精度依賴於傳熱條件的設定。CFD法能夠自動求解出傳熱係數，但建模計算速度慢。目前的應用趨勢是將幾種方法相結合，在設計與分析的不同階段採用不同的策略。如圖2所示，藉助流固耦合和共軛傳熱建模技術，可以同時求解高速電機內部或外部的流體情況、溫升分佈情況。無需藉助經驗方法確定各部分的對流傳熱係數，即可得到較LPTN、FEM更爲精確、詳盡的結果。

圖2 某型號高速永磁電機流場和溫度場CFD結果

5 高速電機轉子支承技術

滾珠軸承、磁懸浮軸承和空氣軸承在高速永磁電機中均有所應用。滾珠軸承受限於其DN數(軸承內徑D與轉速N的乘積)。採用陶瓷球技術和更先進的冷卻技術能夠提高其DN數。空氣軸承分爲靜力學型和動力學型，具有精度高的優點，在電主軸和流體機械中有所應用。磁懸浮軸承可在一定範圍內靈活調整剛度和阻尼，在高速場合有很好的應用前景，但支承剛度相對於其他兩種仍較低。目前有學者將磁懸浮軸承集成於電機內，催生了無軸承電機相關研究。

6 轉子強度與動力學分析

進行強度計算時，對於簡單的表貼式轉子，解析法和FEM均能滿足精度要求。但對於結構複雜的轉子或內嵌式轉子，則需藉助FEM精確求解。目前主流的動力學分析方法是建立轉子的等效梁單元或實體FEM模型，進行數值求解。

7 總結與展望

從現有文獻看，高速永磁電機主要技術發展方向有：新材料、新工藝、新結構在定轉子上的應用；考慮渦流影響的電機電磁場三維有限元分析；定轉子損耗機理的深入探究與實用計算技術；高速電機轉子支承技術；結合電磁場、溫度場、流場、應力場、聲場的多物理場分析與優化設計技術；計算機集羣計算在電機設計與分析中的應用等。隨着國內外相關技術的發展以及高速永磁電機的推廣應用，高速永磁電機的設計必將完成從可行性設計到優化設計的轉變。