开式通风冷却磁悬浮高速永磁电机设计及性能分析

磁悬浮风机原理及优势
磁悬浮风机是将磁悬浮轴承技术和高速电机技术融入传统风机之中，所形成的一种高效的节能环保的新型鼓风机，具有结构简单、高效智能、一体化、操作维护简单、运行费用低的显著优点，可广泛应用于污水处理、物料输送、食品医药、纺织印染、皮革制造、玻璃制造、钢铁冶金、烟气脱硫等项目中，节能效果显著，比正常罗茨风机效率提高40左右。

磁悬浮风机采用了高速永磁同步电机的直驱结构，将离心叶轮和电机驱动一体化集成设计。

他通过内置的位移传感器实时检测转子轴的振动、转子轴的空间间隙，降得到的信号送入磁悬浮轴承控制器进行调理、解析、运算、产生控制电流，再将该电流输入磁轴承绕转线圈，产生电磁力，从而实现转子轴的悬浮。

风机的主要功能是实现鼓风。

随转子轴一同做高速旋转的叶轮带动空气，对空气做功。

磁悬浮鼓风机采用磁悬浮轴承，无接触损失和机械损失，实现了高转速无级变转速调节，风机运行效率可高达84.5%，比传统的罗茨风机可以节25%以上的电能。

同时，机器采用高速永磁电机直接驱动，高效三元流叶轮直接安装在高速电动机的主轴上，整套设备集永磁同步直流电机、电驱磁悬浮轴承、高速变频、电磁滤波闭式冷却循环和自动控制一体化技术于一体，设备在运行中无任何摩擦。

设备运行平稳，综合效率达到设计要求，效率较齿轮传动式单极高速鼓风机提8%以上。

缺点是价格太贵，但是在设备使用两年后节
约下来的电费就比其他风机设备经济，简单的说买着贵，用着便宜。

磁悬浮风机因为其无摩擦，无润滑，免维护，噪音低，效率高，为高端客户接受，虽然总体价格较高，但是省电明显，客户受益明显。

高速列车磁悬浮系统的性能研究与设计随着科技不断的发展，高速列车的运行速度也越来越快。

在高速列车的设计中，磁悬浮系统是发挥至关重要的作用的，它可以使高速列车快速、平稳地行驶在磁悬浮轨道上。

本篇文章将重点研究高速列车磁悬浮系统的性能研究与设计。

一、磁悬浮的原理和分类磁悬浮技术是一种利用磁力原理使车体悬浮在轨道上的技术，在磁悬浮技术中，车体悬浮的高度通过控制电磁吸引力或排斥力来实现。

大致可以分为电磁悬浮和永磁悬浮两种类型。

1. 电磁悬浮电磁悬浮是利用电磁感应原理，在车体与轨道之间形成定位、导向和悬浮力的一种技术。

电磁悬浮系统由轨道上的线圈组和车体上的磁铁组成，以磁悬浮的方式使车体离开地面，依靠各种感应电流产生的磁场控制车体的运行方向和速度。

2. 永磁悬浮永磁悬浮技术是在车辆和轨道上均采用永磁体材料的，通过霍尔元件和磁阻传感器的组合控制运行状态和悬浮高度的技术。

永磁悬浮系统通过磁场力或磁场阻力的作用，使车体悬浮在轨道上，并且可以实现导向、定位和悬浮。

二、高速列车磁悬浮系统的性能研究高速列车磁悬浮系统性能研究是将磁悬浮系统在高速列车运行时的各种性能指标进行研究和分析，以便更好的调整和优化磁悬浮系统的电控参数。

高速列车磁悬浮系统的性能研究一般包括以下几个方面：1. 悬浮性能高速列车在运行时，需要保证车身与轨道之间的悬浮性能和稳定性，保证车辆的平稳行驶。

悬浮性能因素包括悬浮高度、悬浮稳定性、偏移补偿和悬浮载荷等。

2. 列车的运行速度和加速度高速列车磁悬浮系统的性能关系到列车的可运行速度和加速度。

设计时需要考虑列车的最大运行速度和加速度，在此基础上进行设计和调整。

3. 导向性能高速列车在运行时需要保证轨道的导向性，避免列车出现偏离轨道的情况，要保证车辆的相对方位的恒定，使车辆运行稳健、平衡，不产生晃动。

4. 稳定性高速列车磁悬浮系统的稳定性是指车辆在受到外部干扰和不同路段的轨道变化时，系统能够保持平稳运行的能力，达到高速列车安全可靠的要求。

磁悬浮风力发电机研究及发展现状随着人类对环境保护的重视度不断提升，清洁能源的重要性日益凸显。

其中，风力发电作为一种可再生、清洁、安全、无噪音的新型能源，已经成为了全球关注的热点。

而在风力发电技术中，磁悬浮风力发电技术因其高效、可靠、低噪音、低维护成本等优点，越来越受到人们的重视。

本文将从磁悬浮风力发电机的原理、研究现状、技术难点以及未来发展方向等方面进行探讨。

一、磁悬浮风力发电机的原理磁悬浮风力发电机是利用磁悬浮技术和风力发电技术相结合，实现叶片悬浮在永磁轴承上，旋转驱动发电机发电的一种新型风力发电技术。

磁悬浮风力发电机由永磁同步发电机和磁悬浮装置两部分组成。

其中，永磁同步发电机是将风能转化为电能的核心部件，通过转子和定子之间的电磁感应，将风能转化为电能输出。

而磁悬浮装置则是将转子悬浮在空气中，实现了无接触、无摩擦、低能耗的转子悬浮状态。

磁悬浮技术的应用，使得磁悬浮风力发电机具有了高效、可靠、低噪音、低维护成本等优点。

二、磁悬浮风力发电机的研究现状目前，磁悬浮风力发电技术在世界范围内已经得到了广泛的研究和应用。

美国、日本、德国等发达国家已经开始了磁悬浮风力发电机的研发和应用。

其中，美国的Maglev Wind Turbine公司开发的磁悬浮风力发电机已经实现商业化运营，并且已经在多个国家得到了应用。

此外，日本的JR集团也在磁悬浮技术方面有着较为深入的研究，他们开发的磁悬浮风力发电机已经在日本的一些海岛上进行了试点应用。

在国内，清华大学、哈尔滨工业大学等高校的科研团队也在磁悬浮风力发电机的研究方面进行了一定的探索。

三、磁悬浮风力发电机的技术难点虽然磁悬浮风力发电技术具有很多的优点，但是也存在一些技术难点。

首先，磁悬浮技术需要使用高性能永磁体，而目前世界范围内高性能永磁体的生产仍然存在一定的问题。

其次，磁悬浮技术需要使用高精度的磁悬浮轴承，而这种轴承的生产成本较高，且维护难度较大。

此外，磁悬浮风力发电机的结构较为复杂，需要进行精细的设计和制造，这也是技术难点之一。

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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高速磁悬浮永磁电机多物理场分析及转子损耗优化韩邦成;薛庆昊;刘旭【摘要】为提高高速磁悬浮永磁电机的综合性能,得到最优的设计参数,针对一台30 kW,48 000 rpm的磁悬浮电机进行了电磁场、转子动力学以及转子强度分析,提出一种基于多物理场分析结果的电机尺寸优化方法.使用ANSYS以及ANSOFT 对电机进行建模和有限元分析,并用ISIGHT软件进行集成优化设计.以转子损耗最小为优化目标,电机几何尺寸为设计变量,在优化过程中考虑尺寸变化对电机转子模态以及强度的影响,以尺寸、电机电磁性能、力学性能等为约束条件.经过优化后,电机的转子损耗减小16.7％,其余性能均符合设计要求.根据优化设计结果加工了样机并进行电机对拖与温升实验,结果证明了优化设计的合理性,验证了本文提出方法的正确性.%To improve the overall performance of high-speed magnetic suspension PM machine and obtain the optimal design parameters,an electromagnetic filed,rotor dynamics and rotor strength analysis was conducted on a magnetic suspension machine (30 kW,48 000 rpm),and a size optimization method based on such multi-physics analysis was put ed ANSYS and ANSOFT to carry out modeling and finite element analysis on the motor,and then completed the integrated optimization designed by adopting the ISIGHT software,taking the impact of dimensional change on the rotor model and rotor strength into consideration,with the minimum rotor loss as the optimizationgoal,geometric dimension of the motor as the design variable,and dimension,magnetic performance and mechanical performance as the constraint conditions.After such optimization,rotor loss of the motor wasdecreased by 16.7％,with other performances in compliance with the design requirements.Then a back-to-back test and temperature rise test were carried out in the model machine based on the optimization design results.The test results verify the reasonability of such optimization design and correctness of the method put forward in this paper.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2017(025)003【总页数】9页(P680-688)【关键词】电磁分析;多物理场;高速磁悬浮电机;永磁电机;有限元【作者】韩邦成;薛庆昊;刘旭【作者单位】北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室,北京100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心,北京100191;北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室,北京100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心,北京100191;北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室,北京100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TB853.29随着现代工业的发展，对高速永磁电机的应用越来越多，在国防领域有飞轮、控制力矩陀螺，民用领域有空调压缩机[1]、数控机床和高速离心设备等。

磁悬浮电机的设计与实现引言磁悬浮电机是一种基于磁悬浮技术和电动机原理相结合的先进电机。

与传统的机械轴承支撑电机不同，磁悬浮电机利用磁力使转子浮在空中，消除了摩擦损耗和机械磨损，从而提高了电机的效率和可靠性。

本文将介绍磁悬浮电机的设计原理和实现方法。

设计原理磁悬浮电机的设计原理基于磁力平衡和电力驱动。

首先，通过使用永磁体和电磁体产生的磁场相互作用，可以使转子悬浮在气隙中。

然后，通过改变电磁体的电流来调节磁场的强度，从而控制转子的位置。

最后，通过施加交变电流使转子旋转，实现电机的工作。

磁悬浮电机通常采用两种磁悬浮方式：永磁悬浮和电磁悬浮。

永磁悬浮电机通过使用稳定的永磁体来产生悬浮力，从而实现转子的悬浮和驱动。

电磁悬浮电机则通过使用电磁体来产生悬浮力，需要外部电源来提供悬浮力。

两种方式各有优点和适用范围，具体选择应根据实际应用需求进行。

设计步骤1. 确定设计要求在开始设计磁悬浮电机之前，需要确定设计要求，包括功率、转速范围、悬浮方式等。

这些要求将直接影响到电机的设计参数和性能。

2. 选取磁悬浮方式根据设计要求和应用需求，选择适合的磁悬浮方式。

永磁悬浮适用于小功率和高速应用，电磁悬浮适用于大功率和低速应用。

3. 选择磁悬浮材料根据悬浮方式选择合适的磁悬浮材料。

永磁悬浮电机通常采用永磁体材料，如永磁铁、钕铁硼等。

电磁悬浮电机可以选择软磁材料，如硅钢片等。

4. 设计磁悬浮系统设计磁悬浮系统包括磁悬浮轴承和磁悬浮电磁体。

根据转子的重量和转速范围，选择合适的磁悬浮轴承类型，如径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承等。

设计磁悬浮电磁体时，需要考虑电磁体的尺寸、线圈参数等。

5. 设计控制系统设计控制系统是磁悬浮电机设计的关键。

控制系统需要实时监测转子位置和速度，并根据要求调整电磁体的电流，实现转子的悬浮和驱动。

常用的控制策略包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。

6. 制造和调试在完成设计后，进行磁悬浮电机的制造和调试。

制造过程包括制造磁悬浮轴承、制造电磁体、组装电机等。

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。

磁悬浮列车的设计原理及运行机制磁悬浮列车作为一种新型的交通工具，其独特的设计和运行机制极大地促进了城市交通的发展。

它依靠磁力与轨道之间的相互作用，实现悬浮在轨道上高速行驶，比传统的轮式列车更快、更省能、更安静。

那么磁悬浮列车的设计原理和运行机制到底是怎样的呢？本文将介绍这一问题。

一、悬浮原理的实现磁悬浮列车通过电磁感应和电磁吸引力实现悬浮，是一种悬浮式轨道交通系统。

其原理是，通过轨道上低温超导电磁体和车辆下部固有的磁体相互作用，产生的磁力使车体悬空于轨道上，并使车体偏离轨道中心点，形成一种弹簧悬架的感觉，保证列车在高速运行时的稳定性。

磁悬浮列车的悬浮系统主要由控制系统、永磁磁体、超导制冷系统、车辆传感器和导轨构成。

其中，永磁磁体通过控制器和能够感知车体状态的传感器实现对车体位置的精确调整。

同时，超导电磁体产生自身磁场，使车体悬浮并抵消重力作用，保持稳定。

因为车体悬浮在轨道上，因此几乎没有摩擦和阻力，可以有效节省能源。

二、前推式驱动和电炮式刹车的特点磁悬浮列车的最大优势之一是其高速的行驶速度，甚至能够接近音速。

根据测算，对于磁悬浮列车系统来说，驱动力的重要性不言而喻。

因此，前推式驱动成为了磁悬浮列车的驱动方式之一。

前推式驱动是指列车前部的电机直接作用于车轮，提供前进动力，使车体在轨道上前行。

前推式驱动与传统的轮式列车不同的是，磁悬浮列车的轮子是空心的，通过空气的压力和弹性来减少作用于轮子上的负荷，减少乘客和车体受到的颠簸。

而在制动方面，磁悬浮列车采用的是电炮式刹车。

电炮式刹车是指将电能转化为动力并对磁悬浮列车做出反向推力的方式，使其减速甚至停下来。

这种制动方式基本上不会磨损任何零件，因此使用寿命很长，并且没有任何刹车声音。

三、运行机制的稳定性磁悬浮列车的运行机制非常稳定，主要是由于其悬浮系统控制精度高。

当车体受到外力干扰时，通过检测车辆速度、位置和轨道状态，控制系统能快速调整磁力，保持车体在轨道上的平衡。

设计参数对磁悬浮列车性能的影响磁悬浮列车是一种基于磁悬浮技术的高速铁路交通系统，它具有速度快、噪音小、低能耗、无排放等优势，是未来铁路交通系统的发展方向之一。

磁悬浮列车的性能取决于多个设计参数，本文将从永磁体、导向控制、支承系统、气动参数等四个方面分析这些参数对磁悬浮列车性能的影响。

一、永磁体设计参数的影响永磁体是磁悬浮列车中的关键部件，它产生的磁场对列车的悬浮和推进至关重要。

永磁体的设计参数主要包括磁化强度、磁化方向、磁极尺寸和磁铁布置方式等。

1.磁化强度磁化强度是永磁体的重要指标之一，其强度越大，则产生的磁场也越强，使列车悬浮和推进的效果更好。

在磁化强度相同的前提下，永磁体的体积和重量越小，则其制造成本也会相应降低。

2.磁化方向永磁体的磁化方向决定了其在不同方向上所产生的磁场强度。

如果永磁体的磁化方向垂直于轨道，则列车可以沿垂直方向上升降；如果永磁体的磁化方向水平，则列车可以水平移动。

因此，磁化方向的选择要根据列车的应用场景进行优化。

3.磁极尺寸永磁体的磁极尺寸决定了其在轨道上所占的面积，对列车的悬浮高度和稳定性产生重要影响。

在磁化强度相同的情况下，磁极尺寸越小，则所需的磁铁数量越多，制造成本也会相应升高。

4.磁铁布置方式永磁体的磁铁布置方式对其产生的磁场分布和稳定性有重要影响。

通常采用交错、斜交、隔板、环形等多种方式对永磁体进行布置，以达到最佳的磁悬浮效果和成本效益。

二、导向控制参数的影响导向控制是磁悬浮列车支承和平稳性的重要保障，其设计参数主要包括电磁轨道的建造精度、信号控制系统的设计和导向力的大小等。

1.电磁轨道的建造精度电磁轨道的建造精度决定了列车在轨道上的位置精度和运动稳定性。

如果轨道的建造精度达到了亚毫米级别，则导向控制可以非常精细地调节列车在轨道上的位置和姿态，从而确保行驶稳定性。

2.信号控制系统的设计信号控制系统是导向控制的重要组成部分，它可以通过感应磁场、红外线、摄像头等多种方式对列车进行位置和速度的检测，并发送信号给导向控制系统，从而实现对列车的控制。