高速永磁电机的机械和电磁特性研究

高速永磁同步电机电磁分析与转子动力学研究1. 本文概述本文旨在深入研究高速永磁同步电机（PMSM）的电磁分析与转子动力学特性。

随着现代工业技术的发展，高速永磁同步电机以其高效率、高功率密度和良好的调速性能，在航空航天、机床工具、新能源发电等领域得到了广泛应用。

对高速永磁同步电机进行深入的电磁分析和转子动力学研究，对于优化电机设计、提高电机性能、拓宽应用领域具有重要意义。

本文将首先介绍高速永磁同步电机的基本结构和工作原理，为后续分析提供理论基础。

随后，文章将重点围绕电磁分析展开，包括电机绕组设计、磁路分析、电磁场计算等方面，以揭示电机内部电磁过程的本质规律。

在此基础上，本文将进一步探讨高速永磁同步电机的转子动力学特性，包括转子动力学模型建立、模态分析、振动噪声控制等内容，以揭示电机在高速运行过程中的动态响应和稳定性问题。

本文将对高速永磁同步电机的电磁分析与转子动力学研究进行总结，归纳出电机设计优化的关键因素，为未来的电机研发和应用提供有益的参考。

通过本文的研究，期望能为高速永磁同步电机的技术进步和产业发展做出一定的贡献。

2. 高速永磁同步电机的基本理论高速永磁同步电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Machine, HSPMSM）是一种广泛应用于航空航天、高速列车、风力发电等领域的电机。

其基本工作原理基于电磁感应定律和洛伦兹力定律。

在电机中，通过在转子上安装永磁体和在定子上布置三相绕组，当三相交流电通过绕组时，产生旋转磁场。

这个旋转磁场与永磁体的磁场相互作用，产生转矩，驱动转子旋转。

电磁场的分析是理解HSPMSM运行特性的关键。

主要分析内容包括磁场的分布、磁通量的路径以及电磁力的大小和方向。

这些分析通常基于麦克斯韦方程组，通过有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）等数值方法进行。

通过电磁场分析，可以准确预测电机的电磁性能，如转矩、反电动势和效率。

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 。

高速永磁电机机组轴系振动研究王天煜;王凤翔;方程【摘要】高速电机由于体积小、功率密度大和效率高等优点,符合节能减排经济发展需要,成为电机领域的研究热点之一.在高速旋转机械中,转子振动将逐渐成为制约电机正常运行的瓶颈.因此,研究电机的振动特性对于电机的高速可靠运行是非常必要的.电机转子振动的来源主要包括偏心产生的离心力和不平衡磁拉力,本文采用有限元及Newmark积分法计算转子在不平衡力作用下非线性不平衡响应,用样机振动实验验证计算方法的正确性,通过机组振动实验分析轴系振动产生的原因.研究表明,电机的振动主要为离心力产生基频振动及由于转子动偏心产生的10倍频不平衡磁拉力的振动；其次是2倍频的振动.根据振动产生的主要原因提出相应减小振动的措施.%The high speed machinery, due to its small size, high power density, high efficiency and being able to meet the economy development needs of low-carbon and energy saving, is one of the great concerns in electrical engineering. Vibration is the bottleneck of stable operation of high-speed machinery. The vibration sources of rotor in permanent magnet ( PM) machine include mainly the centrifugal force generated by eccentricity and the unbalanced magnetic pull. The FEA combined with Newmark method was used to calculate the non-linear unbalance response due to unbalanced forces. The simulation results for vibrations under different frequencies were verified by tests. Studies show that the vibration frequency components of the machine are mainly the fundamental frequency component caused by eccentricity and the component of 10 times the fundamental frequency due to unbalancedmagnetic pull caused by dynamic eccentricity. Vibration amplitude of double frequency component is more significant. The corresponding measures to reduce vibration were proposed accordingly.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2011(030)009【总页数】5页(P111-115)【关键词】高速电机;非线性振动;不平衡响应;不平衡磁拉力;有限元法【作者】王天煜;王凤翔;方程【作者单位】沈阳工程学院机械工程系,沈阳110136;沈阳工业大学电气工程学院,沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院,沈阳 110870【正文语种】中文【中图分类】TG4高速电机由于转速高，体积小，功率密度大等优点，符合当前低碳经济发展需要，已成为电机领域的研究热点之一［1－3]。

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析1 引言与传统的电励磁电机相比,永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大;损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。

随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代,变频调速永磁同步电动机也应运而生。

变频调速永磁同步电动机可分为两类，一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波（实际为梯形波）的无刷直流电动机，另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。

这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。

本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型,并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。

2 调速永磁同步电动机的电磁设计2.1 额定数据和技术要求调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等.通过改变电机的各个参数来提高永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ϕ、起动转矩st T 和最大转矩max T .本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下：计算额定数据:(1) 额定相电压:N 220V U U ==(2) 额定相电流：3N N N N N1050.9A cos P I mU ηϕ⨯== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p= (4) 额定转矩：3N N 19.5510286.5N m P T n ⨯== 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度,它们可由如下公式估算得到:2i11P D L C n '= N N N cos E K P P ηϕ'=， 6.1p Nm dp C K K AB δα=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。

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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永磁同步外转子电机-概述说明以及解释1.引言1.1 概述永磁同步外转子电机是一种高效、高性能的电机类型，其原理是通过在转子上安装永磁体，使得转子本身具有磁场，与定子中的磁场相互作用而产生转矩。

相比传统的异步电机或直流电机，永磁同步外转子电机具有更高的功率密度和转矩密度，同时还具备快速响应、高效率、高速运行等特点。

永磁同步外转子电机的特点可以总结如下：1. 高效率：永磁同步外转子电机采用永磁体作为转子磁场源，相比传统的电机类型，永磁同步外转子电机的磁场损耗更小，因此具有更高的效率。

2. 高转矩密度：由于转子上安装了永磁体，使得转子自身具备了磁场，与定子中的磁场相互作用产生转矩，因此永磁同步外转子电机相比其他类型的电机在单位体积或重量下可以输出更高的转矩。

3. 快速响应：永磁同步外转子电机具有良好的动态性能，响应速度快，能够在短时间内提供所需的电机输出功率，适用于对动态响应要求较高的应用场景。

4. 高速运行：永磁同步外转子电机由于其特殊的结构设计，可以实现高速运转，适用于需要高速转动的应用领域。

5. 长寿命：由于永磁同步外转子电机的结构简单，无需使用传统电机中的电刷和换向器等易损件，因此具有较长的使用寿命和更低的维护成本。

永磁同步外转子电机在众多领域都有广泛应用，例如电动汽车、高速列车、风力发电、船舶推进、空调压缩机等。

由于其高效率和高功率密度的特点，永磁同步外转子电机在推动清洁能源发展、提升能源利用效率和改善环境质量等方面发挥着重要作用。

通过对永磁同步外转子电机的深入研究，我们可以进一步发挥其优势，提高其性能和可靠性。

随着科技的不断进步和应用领域的拓展，相信永磁同步外转子电机将在未来有更广阔的发展前景。

文章结构部分的内容可以是以下内容之一：1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分概述了永磁同步外转子电机的重要性和背景，并介绍了本文的目的和结构。

正文部分包括了三个小节，分别讨论了永磁同步外转子电机的原理、特点和应用。

摘要高速电机现正成为电机领域的研究热点之一。

其主要特点有两个：一是转子的高速旋转；二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率。

由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。

本文针对一台已经研制出的100KW高速永磁电机的机械特性进行了分析研究。

主要包括以下内容：首先，对高速永磁电机的定子、转子结构，工作原理和ANSYS软件进行了简单的介绍。

定子主要由机座、主磁极、换向极和电刷装置组成，作用是产生磁场。

转子由电枢铁心和电枢绕组，换向器，轴及风扇等组成，作用是产生电磁转矩和感应电动势。

电机中的电磁能与机械能的转换是在磁场中完成的，本设计中采用永磁体建立磁场，完成能量的转换。

其次，对高速永磁电机的转子强度进行了分析。

基于弹性力学理论和有限元接触理论建立了高速永磁转子应力计算模型，确定了护套和永磁体之间的过盈量，分析了永磁体和护套的强度。

永磁体与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加静态预压力抵消高速旋转产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍能承受一定的压应力，从而保证永磁转子的安全运行。

关键词：高速永磁电机，转子强度，ANSYS软件AbstractThe high-speed electrical motors are now becoming one of the hot areas of research. There are two main features: First, the rotor high-speed rotation and the other is the stator windings current and iron hearts of the high-frequency magnetic flux. This decision is different from the ordinary high-speed electrical motor unique key technologies. This paper has developed a 100 KW of high-speed permanent magnet motor of the mechanical properties of the analysis. Mainly include the following: First, It is the simple introduction to the high-speed permanent magnet motor stator and rotor structure, working principle and ANSYS software. Stator mainly consists of the main magnetic pole, and brush, acting as generating the magnetic field. Rotor consists of the armature core and armature winding, commentator, shaft and fan, and other components, acting a role in the electromagnetic torque sensors and EMF. The conversion between the electromagnetic energy and mechanical energy is completed in the magnetic field, and permanent magnet was applied in this designing to establish magnetic field to complete the conversion of energy.Secondly, the analysis of the rotor strength of the high-speed permanent magnet motor. On the basis the elasticity theory and finite element contact theory established a high-speed permanent magnet rotor stress model to determine the sheath between the permanent magnet and a win amount of sheathing and the permanent magnet strength. Permanent magnet and used between the jacket fit, with the permanent magnet sheath static pre-imposed pressure to offset high-speed rotation of the stress so that the permanent magnet can bear a certain stress at high-speed rotation, thus ensuring permanent magnet rotor the safe operation.Key words:high-speed permanent magnet motor, the rotor strength, ANSYS software1.1课题的来源及意义现代社会中，电能是使用最广泛的一种能源。

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。

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析电磁设计是指针对给定的电机参数要求，确定合理的线圈结构、磁场分布和磁路特性等方面的技术设计过程。

其目标是在满足规定的机械特性、电磁特性和工艺要求的前提下，使电机具有最佳的效率、功率因数和转矩密度等性能。

首先，需要确定合适的线圈结构。

根据电机的功率、转速和负载要求等参数，选择合适的线圈类型、匝数和截面形状等。

其中，多层绕组结构可以提高电机的功率密度，而单层绕组更易于制造，降低了制造成本。

其次，需要进行磁场分析。

通过计算机仿真软件或有限元方法，建立电机的磁场模型，分析电机各部分的磁场分布和特性。

磁场分析主要包括磁感应强度、磁通分布、磁势能、磁压力等参数。

通过优化磁场分布，可以提高电机的转矩密度和效率。

磁场分析的过程中，还需要进行磁路设计。

磁路设计包括永磁体的选型和磁路结构的设计。

永磁体的选型要考虑其磁化特性、矫顽力和温度稳定性等因素，以满足电机对磁场的高稳定性和大转矩要求。

磁路结构的设计要优化磁路的传导能力和磁阻损耗，以减小电机的铜损和磁铁损耗，提高电机的效率。

另外，还需要考虑绕组的热设计。

在电磁设计和磁场分析的基础上，进行绕组的热分析和散热设计。

通过合理的冷却措施和散热结构的设计，避免电机过热，保证电机的可靠运行。

同时，绕组的电磁阻抗特性和电磁噪声也是电磁设计和磁场分析的重要考虑因素。

通过优化线圈结构和绕组的布局方式，可以减小电机的电磁阻抗和电磁噪声，提高电机的工作效果和可靠性。

总之，调速永磁同步电动机的电磁设计和磁场分析是确保电机性能的重要环节。

通过合理的线圈结构、磁场分布和磁路特性等技术设计，可以提高电机的效率、功率因数和转矩密度等性能指标，满足电机在不同应用领域的要求。

同时，绕组的热设计、电磁阻抗特性和电磁噪声等问题也需要合理考虑，以确保电机的可靠工作。