高速永磁电机设计技术

基于软磁复合材料的超咼速永磁同步电机电磁设计分析韦福东，王建辉，刘朋鹏!上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海200063]摘 要：软磁复合(SMC )材料因其材料特性及微观结构特点，具有涡流损耗系数低、各向同性等优点，适用于超高速永磁同步电机(PMSM )设计，可以有效降低电机铁耗。

以1台额定转速4 000 .01、额定频率533.33 Hz 的PMSM 为例，从电磁特性、铁耗 计算等SMC 材料及进行对比分析及有限元仿真计算，通过样机SMC 材料 结 有效性。

利用方法,以1台 用SMC 材料的120 000 .02的超高速PMSM 为例,对比分析不同极槽配合对电磁性能的影响，对SMC 材料应用于超高速PMSM。

关键词：超高速永磁同步电机；软磁复合材料；铁耗分析中图分类号：TM 351文献标志码：A文章编号：1673-6540 ( 2021)01-0078-05doi ：10.12177/eoca.2020.171Electromagnetic Design and Analysis of Ultra-High-Speed MotorBased on Soft Magnetic Composite Material *收稿日期：2020-10-09；收到修改稿日期：2020-10-29*基金项目：广东省重点领域研发计划项目(2019'090909002)作者简介：韦福东(1992-)，男，硕士，研究方向为电机设计与控制技术°王建辉(1971-)，男，博士，副教授,研究方向为电机设计与控制技术。

刘朋鹏(1990-)，男，硕士，研究方向为电机设计与控制技术°WEI Fudong, WANG Jianhui, LIU Pengpeng[Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group ) Co. Ltd., Shanghai 200063, China]Abstract ： Due te ite oateOal characteristica and microstructure, soft magnetic composite (SMC) oateOal hasthe advantages of low eddy current loss coeCicient, isotropy and so on. Ie is suitable foe the design of ultra-high-speedpermanene maanet synchronous motoe (PMSM), which can eeectively reduce the motoe iron loss. Taking a PMSMwith a rotation speed of 4 000 r/min and a frequency of 533.33 Hz as an example, the comparison analysis and finite elemeni simulation calculation of SMC materials and silicon sted sheete ao ccrried out from the aspecte ofelectomagnetic propeoies and iron loss analysis. The validity of SMC materiai analysis resulte is verified by prototypetest. The analyticd method is used and a 120 000 r/min ultro-high-speed PMSM using SMC materiae is taken as anexampe t 。

永磁同步电动机的分析与设计永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种采用永磁材料作为励磁源的同步电机。

相较于传统的感应电机，永磁同步电机具有高效率、高功率因数、高转矩密度和高速控制响应等特点，因此在许多应用领域中得到广泛应用。

本文将介绍永磁同步电机的分析与设计内容。

首先，分析永磁同步电机的基本原理。

永磁同步电机由永磁铁和电磁绕组组成。

当绕组通电后，产生的磁场与永磁铁的磁场相互作用，使电机转子产生旋转力矩。

通过分析电机的磁动特性和电动力学特性，可以得到电机的数学模型和控制方程，为电机设计和控制提供理论依据。

其次，设计永磁同步电机的结构参数。

永磁同步电机的结构参数包括定子绕组的匝数、线圈的截面积和磁链密度等。

这些参数的选择将直接影响电机的性能，如转矩、效率和功率因数等。

通过优化设计，可以使电机在给定的体积和功率范围内获得最佳性能。

然后，进行永磁同步电机的电磁设计。

电磁设计包括计算电机的电磁参数，如磁链、磁势和磁密等。

在设计过程中，需要考虑电机的工作条件和负载要求，选择合适的磁路结构和电磁铁材料，以提高电机的效率和转矩密度。

接下来，进行永磁同步电机的电气设计。

电气设计包括计算电机的电气参数，如电压、电流和功率等。

通过分析电机的电气性能，可以确定电机的绕组参数和功率电路的参数，以满足电机的输出要求和电力系统的特性。

最后，进行永磁同步电机的控制设计。

控制设计是永磁同步电机应用中至关重要的一环。

通过采用合适的控制策略和控制器，可以实现电机的速度、位置和转矩精确控制，提高电机的动态响应和工作效率。

总之，永磁同步电机的分析与设计是实现高效电机控制的关键步骤。

通过对电机的原理分析、结构参数设计、电磁设计、电气设计和控制设计等方面的研究，可以实现电机的优化设计和性能优化，推动永磁同步电机技术在各个领域的应用发展。

东南⼤学教授讲解⾼速永磁电机关键技术，以及发展与挑战
内容简介:
本研究所的黄允凯教授多年来对⾼速永磁电机有深⼊的研究，⼩编征得相关⽼师的同意，特此分享⼀份他近期关于⾼速永磁电机技术所做的报告，展⽰了研究所在该领域的研究进展，并提出了他对⾼速电机发展的⼀些观点。

专家介绍
黄允凯，博⼠，教授，博⼠⽣导师，江苏省“青蓝⼯程”中青年学术带头⼈，现任东南⼤学电⽓⼯程学院副院长。

承担本科⽣《电机学》和《数字信号处理》，研究⽣《现代电机设计理论和⽅法》等课程。

科研⽅⾯主要从事特种电机设计与控制、分布式发电系统、全电化交通⼯具等⽅⾯的⼯作。

⽬前主持国家⾃然科学基⾦项⽬2项，江苏省⾃然科学基⾦项⽬1项。

在国内外核⼼期刊及重要会议上发表论⽂60余篇，编写教材1部，参编3部，申请发明专利20余项。

近年来围绕永磁电机、⾼速电机的设计、计算、分析和控制开展了深⼊的研究⼯作，研制的电机在磁悬浮⼯业⿎风机、电主轴、洗⾐机、抽⽔泵、机器⼈等领域中得到成功应⽤。

收稿日期:2006-04-22.基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50437010).作者简介:王凤翔(1938-),男,山东寿光人,教授,博士生导师,主要从事特种电机及其控制、高速电机与磁悬浮、风力发电与能量转换系统等领域的研究.　电气工程文章编号:1000-1646(2006)03-0258-07 【特约】高速电机的设计特点及相关技术研究王凤翔(沈阳工业大学电气工程学院,沈阳110023)摘　要:简要介绍了高速电动机和发电机的结构类型、设计特点、关键技术及研究现状.以高速永磁电机为例,重点阐述了高速转子的电磁与结构设计、转子强度与刚度分析、永磁体的保护方法、定子铁心与绕组的结构设计与电磁性能计算、高频与高速附加损耗计算、温升计算与冷却散热方式.此外还简要介绍了高速磁悬浮轴承的结构原理与控制方法、高速发电机和电动机的功率变换与控制技术,并对高速电机的发展趋向进行了展望.关　键　词:高速电机;永磁电机;电磁与机械设计;控制方法;发展趋势中图分类号:TM 355 文献标识码:AStudy on design feature and related technology of high speed electrical m achinesWAN G Feng 2xiang(School of Electrical Engineering ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110023,China )Abstract :Structure ,design feature ,key technology and research status of high speed electrical machines are summarized.Taking the high speed permanent magnet machines as an example ,electromagnetic and structure designs of rotor ,analysis of rotor strength and rigidity ,protection of permanent magnets ,electromagnetic design of stator core and winding ,calculation of additional losses caused by high frequency and high speed ,prediction of temperature rise and selection of cooling mode are mainly introduced.In addition ,structure and control method of magnetically suspension bearings ,power conversion and control technique of high speed motor and generator as well as their development tendency are discussed briefly.K ey w ords :high speed electrical machine ;permanent magnet machine ;electromechanical design ;controlmethod ;development tendency 高速电机的研究目前正在成为国际电工领域的研究热点.由于转速高,电机的功率密度大,其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机,因此可以有效地节约材料;由于高速电机的转动惯量较小,因此动态响应较快;又由于高速电机可与原动机或负载直接相连,省去了传统的机械变速装置,因而可减小噪音,提高传动系统的效率.上世纪末以来,由于军用和民用对高速电机的需求,英美等发达国家竞相开展了对高速电机的研究,其典型代表是:美国麻省理工学院(M IT )的电磁和电子系统实验室研究的5MW 高速感应发电机;德克萨斯州立大学机械电子中心用于先进机车推进系统的3MW 高速同步发电机和高速感应飞轮电机;英国Turbo G enset 公司推出的以112MW 高速永磁发电机为核心的新型移动电站;美国Calnetix 公司开发的舰用2MW 高速永磁发电机,转速范围为19000～22500r/min [1].目前已研制出500000r/min 的永磁发电机[2].高第28卷第3期2006年6月沈　阳　工　业　大　学　学　报Journal of Shenyang University of TechnologyVol 128No 13J un.2006速电机的应用领域越来越为广泛,如高速磨床及其他加工机床,高速飞轮储能系统,天然气输送及污水处理中采用的高速离心压缩机和鼓风机等.近来,用于分布式供电系统的微型燃气轮机驱动高速发电机越来越受到人们的关注,我国对高速电机的需求也比较迫切,但研究工作尚处于起步阶段.现正在研制215MW高速感应电机[3],同时已研制了转速50000r/min以下的小功率高速电机.在高速和超高速运行情况下,电机的运行特性与常规电机有很大的不同,对电机的设计理论和控制技术提出了一系列新的研究课题.本文对此作一介绍和阐述.1　高速电机的特点与关键技术高速电机的主要特点有两个:一是转子的高速旋转,转速高达每分钟数万转甚至十几万转,圆周速度可达200m/s以上;二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率,一般在1000Hz以上.由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术. 111　高速发电机的结构及其控制方式高速发电机可以有多种结构形式,如永磁电机、感应电机和磁阻电机等[4～6],它们各有优缺点.从功率密度和效率来看,选择次序为永磁电机、感应电机和磁阻电机;然而从转子机械特性来看,其选择次序需要颠倒过来,即磁阻电机、感应电机和永磁电机.在确定高速电机结构型式时,需要对其电磁和机械特性、控制方式和功率变换系统进行综合对比研究.目前中小功率高速电机采用永磁电机较多,中大功率高速电机采用感应电机较多.112　高速电机转子动力学电机在高速旋转时转子的离心力很大,当线速度达到200m/s以上时,常规的叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力,需要采用特殊的高强度叠片或实心转子.对于永磁电机来说,转子强度问题更为突出,因为烧结而成的永磁材料不能承受高速旋转产生的拉应力,必须对永磁体采取保护措施.转子强度的准确计算和动力学分析是高速电机设计的关键技术[7].113　高速电机的损耗、温升计算与散热技术高速电机不仅由于绕组电流和铁心中磁通交变频率增加导致基本电气损耗的增加,而且还增加了高频附加损耗,特别是转子表面由于高速旋转产生的风磨损耗和轴承损耗在总损耗中所占有较大的比重,且与电机运行速度和散热条件密切相关,因而难以准确计算.同时,由于单位体积功率密度与损耗的增加和总体散热面积的减小,因此有效的散热和冷却方式,是高速电机设计中的一个重要问题[8,9].114　高速电机的磁悬浮技术高速电机不能采用传统的机械轴承,而需要采用非接触式轴承.磁悬浮是目前唯一可以实现主动控制的现代支承技术,具有允许转速高、摩擦功耗小、无需润滑和寿命长等优点,磁悬浮技术成为高速电机的重要研究内容.115　高速电机的控制策略与功率转换技术不管采用永磁发电机还是感应发电机,都需要采用适当的功率变换系统,将高速发电机输出的高频交流电能转化为恒频恒压的电能供给用户使用.高速电动机则需要变频调速系统.因此需要研究高速电机功率变换和控制系统的电路拓扑结构和控制策略.下面将对上述某些关键技术内容作进一步的阐述.2　高速永磁电机的转子设计由于永磁电机的高效率和高功率密度,永磁转子成为中小功率高速电机的首选结构,然而永磁材料的抗拉强度较低,成为高速永磁转子设计的难题.在永磁转子设计中需要重点考虑以下问题[10]. 211　转子直径与长度的选取从减小离心力的角度来看,高速电机转子直径应选得越小越好,然而转子要有足够大的空间放置永磁体和转轴,因而转子直径不可过小.高速电机转子一般为细长型,为了保证转子具有足够的刚度和较高的临界转速,转子轴向不可过长.特别是对于采用磁悬浮轴承的高速电机转子,为了减小跨越临界转速时磁悬浮控制的难度,希望设计成为刚性转子,采用适当的转子长径比.高速永磁转子的直径和长度需要进行精确的电磁和机械特性分析后才可确定.212　永磁材料的选取高速电机的永磁体不仅要具有良好的磁性能,即较高的剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积,而且应具有足够高的工作温度和热稳定性.由于高速永磁转子的高速、高频附加损耗较大而散热条件较差,因此防止转子过热造成永磁体不可逆失磁,是需要考虑的一个重要问题.213　极数选择高速电机一般为2极或者4极,各有优缺点.952第3期王凤翔:高速电机的设计特点及相关技术研究 2极电机的优点是转子永磁体可采用整体结构,保证转子沿径向各向同性有利于转子的动态平衡,同时可减小定子绕组电流和铁心中磁场的交变频率,有利于降低高频附加损耗.2极电机的缺点是定子绕组端部较长而铁心轭部较厚.4极电机刚好与2极电机相反,优点是定子绕组端部较短和铁心轭部较薄,缺点是永磁转子需要多块永磁体拼接以及定子绕组电流和铁心中磁场的交变频率较高.从电磁和机械两个方面综合考虑,特别是从转子结构设计来看,采用2极方案比较有利.214　永磁转子护套设计高速电机一般选用的稀土永磁体为烧结钕铁硼,是一种类似于粉末冶金的永磁材料,能承受较大的压应力(1000MPa ),但不能承受大的拉应力,其抗拉强度一般低于抗压强度的十分之一(<100MPa ).如果没有保护措施,永磁体无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力[11,12].保护永磁体的方法之一,是在永磁体外面加一高强度非导磁保护套,永磁体与护套间采用过盈配合,如图1所示.另外一种保护方法是用采用碳纤维绑扎永磁体,如图2所示.图1　采用非导磁合金钢护套的永磁转子Fig.1　PM rotor with nonmagnetic steel enclosure护套的作用是在转子处于静态不旋转时,使永磁体承受一定的压应力,以补偿高速旋转时离心力产生的拉应力,使永磁体承受的拉应力在永磁材料所许可的范围之内.需要给永磁体施加多大的预压力,永磁体与护套之间需要采用多大的过盈量,需要根据永磁转子的结构、转子运行速度范围和材料特性,进行转子强度分析,通过计算高速旋转时永磁体和护套的应力和应变方可确定.采用非导磁合金钢护套的优点是能够对高频磁场起到一定的屏蔽作用,并能减小永磁体和转子轭中的高频附加损耗,同时导热性能较好,有利于永磁体的散热;其缺点是护套为导电体,会产生涡流损耗.与金属护套相比,碳纤维绑扎带的厚度要小,而且不产生高频涡流损耗;然而碳纤维是热的不良导体,不利于永磁转子的散热,而且对永磁体没有高频磁场的屏蔽作用.研究表明,在碳纤维绑扎的永磁体外加一薄层导电性能良好而不导磁的金属,可以有效地屏蔽高频磁场进入永磁体和转子轭,对减小永磁转子的高频附加损耗十分有效[8,9].图2　采用碳纤维绑扎的永磁转子Fig.2　PM rotor covered by a carbon 2fiber bandage enclosure3　高速电机的定子设计随着转速的增高,电机的体积减小而定子绕组电流和铁心中磁通交变频率增高,电机单位体积的损耗和发热量增加而散热面减小,减小损耗和有效的散热成为高速电机定子绕组和铁心设计需要解决的主要问题[13,14].311　定子铁心材料的选择由于定子铁心中磁通的变化频率与电机的转速成正比,而单位铁损耗与频率的113～115次方成比例,一台60000r/min 的电机磁场变化频率是3000r/min 电机频率的20倍,如铁心中的磁通密度相同,高速电机的单位铁耗将增加50～80倍.降低铁耗的办法有:①适当降低铁心中的磁通密度;②采用低损耗的铁心材料,如特殊软磁合金、非晶态合金钢片(Amorphous steel )和磁粉压制的SMC (Soft magnetic composite )软磁铁心.上述特殊软磁合金成本较高,非晶态合金钢片薄而脆不易加工成型,而SMC 材料尚处于开发和试用阶段.目前高速电机的定子铁心仍以采用超薄型低损耗冷轧电工钢片为主.312　定子铁心结构可以采用如图3所示多槽式、少槽式和无槽062 沈　阳　工　业　大　学　学　报第28卷式三种不同类型的定子铁心.通过对一台2极高速电机在相同定转子尺寸和运行条件下采用不同槽数(24槽、6槽和无槽)定子铁心结构磁场有限元分析,得出的在转子表面一点的磁通密度变化曲线对比,如图4所示.图3　三种典型的定子铁心结构Fig.3　Three typical structures of stator corea.多槽式b.少槽式c.无槽式图4　不同定子铁心结构气隙磁场的比较Fig.4　Comparison of air gap magnetic fields fordifferentstator core structures通过对比图4中永磁转子表面气隙磁通密度的变化曲线可以看出,无槽定子不产生高频齿谐波磁场,对减小转子损耗十分有利,但气隙过大,永磁体产生的气隙磁场较小,材料利用率过低.6槽定子气隙平均磁场最强,材料的利用率最好,但齿谐波磁场幅值过大,转子的损耗较大.相比之下24槽定子结构较好,尽管齿谐波磁场的频率较高,但幅值较小,在转子中产生的损耗比6槽定子要小得多,而平均气隙磁通密度略小于6槽定子.313　定子绕组型式由于转子强度所限,高速电机一般为细长型,而2极和4极电机的传统定子绕组端部比较长,如图5a 所示,这就更增加了转子的轴向长度,从而降低了转子系统的刚度,尤其对采用磁悬浮轴承的高速电机十分不利.为了减小转子的轴向长度,需要缩短定子绕组的端部长度,一种有效的解决办法是采用图5b 所示的环型绕组,使线圈边之间的连接不从端部而是通过定子铁心轭的外部,这样可使绕组端部长大大缩短,其不利之处是线圈嵌线工艺比较复杂,需要穿绕.图5　传统绕组与环型绕组端部示意图Fig.5　Schematic diagram of ring winding andconventional winding a.传统绕组　b.环型绕组4　高速电机的轴承设计411　非机械接触式高速轴承的分类普通的机械轴承在高速电机中应用寿命很短,一般需要采用非机械接触式轴承,主要有三类[10]:1)充油轴承.通过在转动体与非转动体之间形成一层油膜使转子悬浮,需要一套油循环系统.由于存在漏油问题和损耗较大,因此逐渐被先进的气悬浮和磁悬浮技术所代替.2)空气轴承.空气轴承的结构原理如图6所示.用压缩空气代替油膜实现气悬浮,漏气比漏油问题容易解决.与磁悬浮轴承比,空气轴承的体积较小,控制简单;其缺点是用很薄的一层压缩空气(25nm )支撑转子,承受负载能力有限,同时对轴承材料的性能与加工精度要求极高.图6　空气轴承结构原理示意图Fig.6　Schematic diagram of air bearing162第3期王凤翔:高速电机的设计特点及相关技术研究 3)磁悬浮轴承.通过磁力耦合实现定转子之间的非接触悬浮,可进行动态悬浮力控制,不存在漏油和漏气问题,在高速电机中应用较多.412　高速电机的磁悬浮控制高速电机的磁悬浮技术有两种类型,一种是采用与电机分离的磁悬浮轴承(通常称为磁力轴承);另一种是将电机与磁悬浮轴承合为一体的磁悬浮无轴承电机,其结构示意图分别如图7和图8所示.显然,无轴承电机将径向磁力轴承与电机集成为一体,可减小电机的轴向长度,但其控制技术比较复杂.图7　磁力轴承电机的结构示意图Fig.7　Structure diagram of machine with magnetic bearings图8　无轴承电机的结构示意图Fig.8　Structure diagram of bearingless machine41211　磁力轴承磁力轴承可分为被动式、主动式和混合式磁力轴承三种类型.被动式磁力轴承由永磁体构成,不需要控制,但至少在一个自由度上需施加非永磁体产生的力约束,否则不稳定.主动式磁力轴承是由通电线圈产生的电磁力实现转子悬浮,控制器通过动态检测转子位置,调整励磁线圈的电流控制悬浮力大小,实现转子的稳定悬浮.混合式磁力轴承是主动式与被动式磁力轴承的结合,通过施加永磁体的偏磁磁场以减小主动式磁力轴承的控制功率.目前在高速电机中实际应用的是主动式磁力轴承或者混合式磁力轴承[15].图9为主动式磁力轴承的工作原理和控制系统示意图.41212　磁悬浮无轴承电机如图8所示,磁悬浮无轴承电机是将径向磁力轴承与电机集成为一体,电机的定转子不仅要产生驱动电机转动的旋转力矩,而且要产生使转子悬浮的电磁力[16].无轴承电机与传统交流电机的结构基本相同,只是为了产生磁悬浮力,除了原有用以产生旋转力矩的定子绕组外,再加上一套与转矩绕组极数相差为2的磁悬浮力控制绕组.转子可采用传统交流电机的无刷结构型式,如感应式、永磁式和磁阻式等.图9　主动式磁力轴承结构原理与控制系统示意图Fig.9　Structure and control system of active magnetic bearings无轴承电机的磁悬浮力产生原理如图10所示.N A 和N B 表示的是4极的转矩绕组,N α和N β是2极的悬浮力绕组.如果2极悬浮力绕组中没有电流通过,则转矩绕组电流产生的4极磁场是对称的,图10中所示1和2处对应的气隙磁通密度是相等的,此时电机气隙中没有单边磁拉力产生.当在2极的N α绕组中通入一个如图10所示的正方向电流时,N α绕组产生的磁场使2处的气隙磁通密度增加而使1处的磁通密度减少,不平衡的气隙磁场分布将产生单边磁拉力欲使电机转子沿α轴的负方向运动;反之,如果N α绕组中通入反方向电流,那么合成气隙磁场的作用将使转子向α的正方向运动.同理,N β绕组中的电流将产生一个沿β方向的磁拉力.因此可通过控制N α、N β绕组中的电流产生所需要的转子磁悬浮力,从而维持电机定转子之间的间隙不变.由于需要对转矩和磁悬浮力进行解耦控制,无轴承电机的控制技术要比电机与磁力轴承分体的控制技术复杂得多.图10　磁悬浮力产生原理示意图Fig.10　G eneration principle of magnetic levitation force无轴承电机成为近年来国内外的研究热点之262 沈　阳　工　业　大　学　学　报第28卷一,研究人员提出了多种电机结构形式和控制策略,然而由于控制技术的复杂性,目前无轴承电机的研究尚处于应用基础研究阶段[20],在高速电机上尚未得到实际应用.5　高速电机的控制与功率变换技术高速电动机需要采用高频逆变器供电,而高速发电机输出的是高频交流电,需要通过电力电子功率变换装置,变为用户所需要的恒频恒压交流电.由于高速电机的高频供电,电机的损耗密度较大,而散热又比较困难,因此要求电机绕组的电压和电流为正弦波,以减小高次谐波的附加损耗,为此对功率变换装置提出了较高的要求[17,18].目前高速发电机的一个重要应用领域是微型燃气轮机驱动高速发电机分布式供电系统,其控制和功率变换技术比较复杂.图11为一微型燃气轮机驱动高速永磁发电机分布式供电装置的控制和功率变换系统原理框图.由于微型燃气轮机不能自起动,机组起动时高速电机作为电动机运行,拖动机组起动,由蓄电池通过DC/DC 升压斩波器(因为蓄电池组的电压较低)和DC/AC 逆变器供电,当机组转速上升到一定值后微型燃气轮机点火,随着转速的升高和微型燃气轮机驱动功率的增加,高速电动机输出机械功率逐渐减小进而变为发电机输出电功率,此时原来用作为高速电动机供电的逆变器变为正弦波整流器,将高速发电机输出的高频交流电转换为直流电,然后由输出逆变器转换为恒频恒压的工频交流电向用户供电.此时蓄电池由放电变为充电状态,因而DC/DC 斩波器的功率流向改变,由升压斩波变为降压斩波.图11　微型燃气轮机驱动高速发电机功率变换系统原理框图Fig.11　Power conversion system block diagram of ahigh speed generator driven by micro 2turbine6　高速电机的研究展望随着军工和民用对高速发电机和电动机的需求,高速电机已成为国内外研究的热点之一.由于高速电机的高功率密度和高速、高频运行特点,涉及到材料、机械、电磁、电力电子、自动化、检测技术与计算机控制等多学科的前沿技术,因此需要深入研究的问题很多,在我国尚处于起步阶段.在电机结构上除了继续深入研究高速永磁电机并扩大其转速和功率范围外,还需要研究感应式和磁阻转子等其他结构形式的高速电机.需要进行高速电机电磁与机械综合设计方法研究,应用电磁场、应力场与温度场耦合方法,分析计算电机定转子的高频和高速损耗和温升分布,电机的强度、刚度、振动和噪声.需要研究高温高速磁悬浮轴承系统的关键技术,具有冗余容错能力的高可靠性的磁悬浮轴承系统以及磁悬浮轴承—柔性转子系统的控制方法.需要进行高速电机功率变换和控制系统变流器的拓扑结构与控制策略研究;供电与控制系统运行状态监测与可靠性研究;高速发电机供电质量控制技术、多机并网及与其他供电系统并联运行技术的研究[19,20].参考文献:[1]Huynh C ,Hawkins L ,Farahani A ,et al .Design anddevelopment of a 2MW ,high speed permanent magnet alternator for shipboard application [C/OL ].USA :Electric Machines Technology Symposium ,Philadel 2phia ,http :///white papers/PDF/2004%20ASN E %20EM TS %20Pa per.pdf ,2004.[2]Zwyssig C ,K olar J W ,Thaler W ,et al .Design of a100W ,500000rpm permanent magnet generator for mesoscale gas turbines [C/CD ].Hong K ong :Confer 2ence Record of the IEEE Industry Applications S ociety Fortieth Annual Meeting (IEEE 2IAS ’2005),2005.[3]Ma W M ,Wang D ,Xiao 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高速永磁电机转子强度分析与护套设计摘要：由于其功率密度大，效率高，在离心压缩机和飞轮储能等方面得到了广泛的应用。

高速电动机在工作过程中，转子零件承受着很大的离心力，为了确保永磁的安全性，通常会使用带有转子套的平板型永磁转子。

常用的转子护层材料有两种，一种是高强度的金属材料（例如钛合金， Inconel合金），另一种是高强度的复合材料（例如碳纤维，玻璃纤维，芳纶纤维），它们之间的物理特性存在着较大的区别：金属护层具有较好的导电性能，并且在护层内存在较大的涡流损失，但是它的热传导系数较高，并且转子易于散失热量。

纤维外套的导热系数非常低，在外套内没有任何的漩涡，也没有任何的损失。

在此基础上，研究了不同的包层材料对转子磁通损失和温升的影响。

关键词：高速永磁电机；转子强度；护套设计1高速永磁电机设计技术1.1电机磁悬浮技术目前，在电机中普遍使用的是机械式轴承，存在着较大的摩擦力和较高的功耗等缺点。

在此基础上，提出了一种新型的无接触式永磁电动机轴承。

采用该轴承延长了电动机的寿命，并将逐渐向高速电动机中推广。

1.2电机定子的设计定子对电机的散热起到了很大的作用，因此在设计电动机时，对其进行合理的选择是一个很关键的工作。

当前，大部分的定子都是环状绕组，它可以极大地减小电动机的轴向要求，提高转子的韧性。

在此基础上，提出了一系列的凹槽，以提供部分的散热器，使其始终保持在恒温状态。

应指出，当马达在高速运行时，有凹槽现象，会加大马达的损耗。

为了降低这个损失，一般这样的马达都要延长空气间隙来冷却热量。

在材质的选择上，为了减小铁心上的滞后损失，通常会使用0.2 mm以下的普通硅钢。

1.3电机转子的设计从永磁电机的工作原理可以看出，在电磁效应的影响下，转子将处于高速转动状态，并且两个转子之间的速度非常迅速，将会产生很大的离心力，对转子的强度有很高的要求。

而且，在高温下，电动机的转子极易受到损伤，从而对电动机的正常工作造成很大的影响。

永磁电动机的新型制备技术永磁电动机是一种新型的电机，具有高效、节能、环保等优点，且其电磁性能稳定可靠，性价比高，因此在诸多领域中得到广泛应用。

随着科技的不断发展，永磁电动机的生产制造技术也在不断推进，目前已经出现了多种新型的永磁电动机制备技术。

第一种制备技术是利用金属注塑成型技术。

这种技术先将电磁铁芯设计成复合结构，然后用金属粉末和相应的粘结剂混合物通过注塑成型技术制成电机零部件。

由于金属注塑成型技术可以制备出较为复杂的结构形状，因此制造出来的永磁电动机不仅能够发挥出更优异的电磁性能，而且整体结构更为精准，更加符合工程应用的实际需求。

第二种制备技术是利用微细粉末在冷压下制备。

这种制备技术可以制造出高温、高压、高速和大功率等要求较为严苛的永磁电动机，而且永磁体的均匀性和密实度也得到了很好的保证。

同时，由于此种制备技术不需要消耗过多的能量和材料，也更加符合低碳、环保的概念。

第三种制备技术是利用快速固化技术。

这种制备技术可以实现将加热材料快速冷却，从而将材料的结晶度提高，并且材料的磁性能得到了很好的提高，因此适用于可以快速制备永磁体同时不会破坏其原有结晶度的领域。

快速固化技术可以缩短材料的制备时间，降低了制造成本和能耗，并且制造出来的永磁电动机整体性能也得到了较好的保证。

第四种技术是利用激光快速成型技术制备永磁电机。

这种技术需要首先利用3D打印来建立出精细的模型，然后利用激光进行快速成型。

利用激光快速成型技术可以制造出更为精细的永磁体，其制造精度高、结构简洁且整体性能较好，成为当前制备永磁电动机的一种重要技术。

总之，永磁电动机的制备技术已经有了多种新型的技术，生产制造成本得到大幅度降低，整个永磁电动机制造的性能和质量也有了大幅度的提升，这对于推动新能源汽车的发展，提高我国制造业整体水平都具有重大的意义。

高速永磁电机设计与分析技术综述一、概述高速永磁电机，作为现代电机技术的杰出代表，正以其高效率、高功率密度以及优秀的控制性能，在多个领域展现出广阔的应用前景。

随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，对高速永磁电机设计与分析技术的研究显得尤为重要。

本文旨在对高速永磁电机的设计与分析技术进行综述，以期为相关领域的研究者提供全面的技术参考和启发。

高速永磁电机的设计涉及电磁设计、结构设计、热设计、强度设计等多个方面，其关键在于如何在高速运转的条件下保证电机的性能稳定、安全可靠。

电磁设计方面，需要优化绕组布局、磁路设计以及永磁体的选择，以提高电机的效率和功率因数。

结构设计则着重于提高电机的刚性和强度，防止在高速运转时产生过大的振动和噪声。

热设计则关注电机内部的热传递和散热问题，防止电机因过热而损坏。

强度设计则要求电机在承受高速运转产生的离心力时，能够保持结构的完整性。

高速永磁电机的分析技术则涵盖了电磁场分析、热分析、结构分析等多个方面。

电磁场分析可以预测电机的电磁性能，为优化设计提供依据。

热分析则用于评估电机在不同工况下的热状态，为散热设计提供参考。

结构分析则关注电机在高速运转时的动态特性，为强度设计提供支撑。

随着计算机技术和数值分析方法的快速发展，高速永磁电机的设计与分析技术也在不断进步。

通过采用先进的电磁仿真软件、热仿真软件以及结构仿真软件，可以更加精确地预测电机的性能，为设计优化提供有力支持。

1. 高速永磁电机的定义与重要性高速永磁电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor, HSPMSM）是一种特殊类型的电机，其核心特点在于使用永磁体来产生磁场，以及能够在高转速下稳定运行。

与传统的电励磁电机相比，HSPMSM具有更高的功率密度、更高的效率以及更低的维护成本，因此在许多现代工业应用领域中具有显著的优势。

HSPMSM的重要性体现在以下几个方面：随着全球能源危机的日益加剧和环境保护需求的不断提升，节能减排、提高能源利用效率已成为工业生产中的重要目标。

超高速永磁同步电机转子护套设计分析及优化韦福东，王建辉，刘朋鹏!上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海200063]摘 要：超高速永磁同步电机（PMSM ）转速较高，永磁体抗拉强度相对较小，需要在转子永磁体外设置护套并通过过盈配合使永磁体上产生径向压应力，抵消转子高速旋转 产生力，对永磁体 护。

提岀了一种超高速PMSM 转子 磁合金护套厚度及过盈量计算分析方法。

以1台120 000 r/min 超高速PMSM 为例，运法 度 转子静力 合仿真分析，对 法，并通过优化设计，使电机转子在 强度要求的情况下,合理计算护套 度及过盈量，转子护套的厚度，小转子，为超高速电机转子设计。

关键词：超高速永磁同步电机；不导磁合金护套；设计分析中图分类号：TM351文献标志码：A文章编号：1673-6540（2021）05-0060-06doi ： 10.12177/emca.2020.229Design Analysis and Optimization of the Rotor Sleeve of Ultra-High-SpeedPermanent Magnet Synchronous Motor *收稿日期：2020-12-11；收到修改稿日期：2021-01-27*基金项目：广东省重点领域研发计划项目（2019（090909002）作者简介：韦福东（1992-），男，硕士，研究方向为电机设计与控制技术。

王建辉（1971-），男，博士，副教授，研究方向为电机设计与控制技术。

刘朋鹏（1990-），男，硕士，研究方向为电机设计与控制技术。

WEI Fudong, WANG Jianhui, LIU Pengpeng[Shanghai Electrical Apparatus Research Institute （Group J Co., Ltd., Shanghai 200063, China]Abstract ： The ultra-high-speed permaneni magnet synchronous motoo (PMSM) has the characte/stica of highspeed and relatively low tensile strength of permanent magnets. Therefore, it is necessary to set a sleeve on the outside of the permanent magnet of the rotoc, and generate radial compressive stress on the permanent magnet throughinterference fit, so as t offset the centrifugal force generated during the rotoa high-speed rotation and protect thepermanent magnet. A method foo calculating and analyzing the thickness and interference of rotoo non-magnetic alloy sleeve of the ultra-high-speed PMSM is p roposed. Taking a 120 000 Omin ultra-high-speed PMSM as an example,the coupling simulation of temperature f ield and rotoo staticc is cdried out by using finite element method, and the numericce method is verified. The optimized design is utilized to reasonabty calculate the thickness and interferencc amount of the sleeve undeo the condition that the motoo rotoo meetr the requirementr of structurd strength. It can eaectively reducc the thickness of rotoo sleeve, thus reducing the iron consumption of rotoo, which provides a referenccto rotoo design of ultra-high-speed motoo.Key words: ulha-highspeed permanent magnet synchronous motor (PMSM); non-magnetic alloy sleeve; design analysis0引言高、 度 点，广 应用在超高速空压缩机、数控机床高速电 、 机超高速永磁同步电机（PMSM ）具有转速床等设备场合[1 超高速PMSM 转子永磁体永磁，较高抗压强度，抗拉强度和抗弯强度较低、较差2。

高速电机的六大关键技术目录前言 (1)1 .散热的问题 (1)2 .电机选型问题 (2)3 .转子结构的问题 (3)4 .震动噪音的问题 (4)5 .高效的问题 (5)6 .轴承的问题 (7)前言“在体积更小、功率更高追求驱动下，电机的转速一路攀升，从早期的两三千转，一直攀升到几万甚至几十万转，更高的转速使得功率密度和原材料利用率提高。

因此高转速是强趋势，以新能源驱动为例，丰田PriUS推出的第一代产品最高转速才6000r∕min,到第四代产品转速达到17000r/min。

本期我们用更高的视角去看看转速电机的应用场合及背后的关键技术。

”高速、超高速的应用前景广阔但同时给电机带来了极高的挑战，我们将这些问题合并同类项后发现有六大类：散热、选型、转子结构、振动噪音、高效设计、轴承。

1.散热的问题电机损耗随转速几何级数提高，高损耗产生的热使得电机温升极速提升，为维持高速运行，必须设计散热良好的冷却方式。

我们能看到常见的高速电机冷却方式为：1) “内强迫风冷”如下图所示，强冷风能够直接吹入电机内部带走绕组和铁芯上的热量，这种方式一般出现在空压机、鼓风机、飞机电机这类本来就有强风可利用的场合。

2) “内油冷”在电机必须封闭防护，或者无强风的应用环境中，采用最多的是内油冷方式，比如AV1设计的高速电机采用的定子槽内油冷的方式的组合。

有些电机也采用绕组喷油冷却+定子油冷+转子油冷等多种方式的组合。

高速电机带来的问题High1oss=4158W,1owweight=18kg冷却方式举例某25OkW@2OkrPmSPM高速空压机强迫风冷结构AV1230kw@20krpmSPM槽内冷却技术油路通过幅口庖接为了实现高功率密度、发热和冷却是高速电机必须要面对的重要问题。

2.电机选型问题永磁电机还是感应电机？还是开关磁阻等其它类型的电机，高速电机种类的选择一直是一个没有标准答案的问题。

一般从功率密度和效率的角度出发，选择永磁电机比较有优势，而从可靠性出发选择感应电机和开关磁阻电机。

Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2018, 7(6), 429-436Published Online December 2018 in Hans. /journal/methttps:///10.12677/met.2018.76052Manufacturing Process and Key Technology of High-Speed Permanent Magnet ElectricMachineWenhua ZhangHunan XEMC Power Co. Ltd., Xiangtan HunanReceived: Nov. 5th, 2018; accepted: Nov. 23rd, 2018; published: Nov. 30th, 2018AbstractBecause of the advantages of less volume, lighter weight, and higher efficiency, high-speed permanent magnet electric machine has been used widely in many applications. With the increasing demand for high-speed permanent magnet electric machine applications in the power application market, its manufacturing process and key technology problems are becoming more and more serious. So, the analysis of the characteristics and development trend of the electric machine process is provided, which can be usefully employed in design and fabrication of similar kind of electric machines.KeywordsPermanent Magnet Electric Machine, Manufacturing Process, Key Technology高速永磁电机制造工艺特点及相关技术张文华湖南湘电动力有限公司，湖南湘潭收稿日期：2018年11月5日；录用日期：2018年11月23日；发布日期：2018年11月30日摘要高速永磁电机具有体积小、重量轻、效率高等特点，其应用范围越来越广泛，随着电力应用市场对高速永磁电机使用要求的不断提高，永磁电机制造工艺及关键技术问题逐渐突出，对此分析电机制造工艺特点及其发展趋势，为同类电机工艺设计及施工提供参考。

高速直流无槽永磁电机的研制柳长江 杨德望（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）摘要本文介绍了一种高速直流无槽永磁电机。

在研制过程中采用电磁场分析优化技术，解决了电机的换向问题。

并对电机的效率、散热和通风问题进行了分析。

通过试验数据和设计分析结果的比较，验证了设计和分析的正确性，为类似电机的设计提供了有效的参考。

关键词：直流无槽永磁电机；电磁场；换向Research of High-speed DC Slotless PM MotorLiu Changjiang Yang Dewang（Wuhan Marine Electric Propulsion Research Institute, CSIC, Wuhan 430064）Abstract A high-speed DC slotless PM motor was introduced in this paper. Commutation problem of the motor was solved by using Electromagnetic field analysis optimum technique during the process of research and experimentation. In the paper efficiency and cooling problem of the motor are also analysed. The correctness of design and analysis is validated by the test results. It is effective reference for the similar motor design.Key words：DC slotless Permanent Magnet Motor；electromagnetic field；commutation1引言永磁直流电机在特定的场合下具有可靠性高，系统简单的明显优势。

高速永磁同步电机转子拓扑结构设计及强度优化仿真计算黄绍枝心，于冰1'2，董江东1'2，唐小春1'2(1中车株洲电机有限公司，湖南株洲412000；2湖南省新能源汽车电机工程技术研究中心，湖南株洲412000)摘要一款电机设计需求，通过2D有真分析对比了不同转子构下的电机性能，择优选取了一种“U+1#形构，即“U#型和“1#型磁组合构，结果表明该构具备“U#型磁磁和“B+1#磁加效应，能有效提高磁阻转矩和永磁转矩，具有低转矩脉动、高弱磁扩速能力及低成本等优势。

最后通过3D有真对冲片结构优化并进行强度仿真计算，使度可满足高速彳七19000r/min的机械强度要求$关键词高速永磁同步电机；拓扑结构%有真DOI：10.3969/J.ISSN.1008-7281.2020.03.09中图分类号:TM315文献标识码:A文章编号：1008-7281(2020)03-0028-04 Rotor Topology Structure Design and Strength OptimizationSimulation Calculation of High-Speed PMSMHua$g Shaozhi,Yu Bi$g,Do$g Jia$gdo$g,a$d Ta$g Xiaochu$(1.CRRC Zhuzhou EI x CU c Machine Co.,Ltd.,Zhuzhou412000,China;2.Hunan Engi-nee/ng R—h Centee of New Ener/y Vehicle Motoe,Zhuzhou412000,China) Abstract Based on the design requiremento of a kind of motoe,the performances of it un­dea va/ous rotor topology structures are analyzed and compared by2D finite-element simula­tion,and a“U+1#type of topology structure i selectively selected,which combines with “U#type and“1”type of magnetic sted slot topology structure.The resulto show that the structure has the effects of“U#type of magnetic steel focusing and“U+1#type of magnetic eesostantesupeeposotoon,whoth tan eettoaeeyompeoaethemaynetoteesostantetoequeand pee-manent-maynettoeque,and hastheadaantayesoFeowtoequeeoppee,hoyh weak maynetotexpan-soon tapatotyand eowtost.In theend oFthospapee,3D onote-eeementsomueatoon sotwaeeos used tooptomozethepunthonysteuttueeand taetueatoon ots st een yth.It tan makethepunthony strength meet the mechanicxl strength requirementr of19000/min.Key words High-speed PMSM；topology structure；finite-element sirnulation0引言随着中国传统工业的发展以环境和能源等的制约，的生态模式正在发生2刻转变，低和可再生成为工业发展的必uv,新能源作为中国-性新兴产一,受国家的支持和引导，近年来中国新能源产业得到了快速发展，跃居成为新能源产销大国[3]$驱动电机是新能源汽车的三大核心部件之一,它的好坏决定了电性能的优劣。