高速电机设计策略与设计特点的分析

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。

电机驱动系统的性能优化与控制策略研究2.摘要：电机驱动系统的性能优化与控制策略研究"旨在提高电机驱动系统的效率和性能。

本文通过深入研究电机控制策略、性能优化方法以及集成控制与智能化应用，以提升电机驱动系统的性能。

关键词：电机驱动系统；性能优化；控制策略引言：随着科技的不断进步，电机驱动系统在工业领域中应用越来越广泛，且扮演着至关重要的角色。

然而，传统的电机驱动系统往往存在着效率低下、能耗高等问题。

因此，对电机驱动系统的性能优化和控制策略研究具有重要意义。

1、电机控制策略的研究1.1矢量控制策略矢量控制策略通过分别控制电机的磁场定向和转矩来实现高精度的运动控制。

它将三相电流转换为磁场矢量和转矩矢量，并分别控制它们以实现所需的磁场方向和输出转矩。

磁场矢量控制调节电机磁场定向，而转矩矢量控制调节电机输出转矩。

这种控制方式具有高精度、灵活适应不同工况和简化系统结构的优势，但需要测量转速和位置信息。

在矢量控制策略中，首先需要获得电机的运动状态信息，如转子位置和速度。

这可以通过传感器测量或者使用估算算法来获取。

一旦获得了运动状态信息，控制系统就可以根据所需的运动特性，通过控制电机的磁场定向和转矩来实现精确的运动控制。

1.2直接转矩控制策略与矢量控制策略不同，直接转矩控制策略无需额外的速度和位置传感器，通过实时估计电机转子位置和转速来直接控制电机转矩输出。

这种策略利用电机模型和观测器来估计内部参数，并根据所需的转矩输出调节电机电流。

直接转矩控制策略具有简单的系统结构、较低的成本和对参数变化和负载扰动的鲁棒性。

然而，它需要高计算能力和复杂的算法来估计电机状态并实时调节电流。

这些算法通常基于数学模型或者系统识别方法，以获得准确的位置和速度估计，并通过电流反馈控制来实现所需的转矩输出。

1.3智能化控制策略智能化控制策略利用人工智能技术实现自适应调节和优化控制，以提升电机系统性能。

其中，深度学习方法是一种常用的智能化控制策略。

新型永磁电机的设计、分析与应用研究一、概述随着全球能源危机和环境保护压力的不断增大，高效、节能、环保的电机技术成为了当前研究的热点。

永磁电机作为一种新型的电机技术，具有高效率、高功率密度、低噪音、低维护等优点，被广泛应用于电动汽车、风力发电、工业自动化等领域。

对新型永磁电机的研究具有重要意义。

新型永磁电机的研究涉及到电机设计、分析、优化以及应用等多个方面。

在电机设计方面，需要考虑电机的结构、绕组、永磁体等因素，以实现电机的最佳性能。

在电机分析方面，需要建立电机的数学模型，对电机的性能进行预测和评估。

在电机优化方面，需要采用先进的优化算法，对电机的结构参数进行优化，以提高电机的效率和可靠性。

在应用方面，需要研究永磁电机在不同领域的应用特点和技术难点，以推动永磁电机的广泛应用。

本文旨在对新型永磁电机的设计、分析与应用进行深入的研究和探讨。

介绍了永磁电机的基本原理和分类，为后续研究打下基础。

详细阐述了永磁电机的设计方法，包括电机的结构设计、绕组设计、永磁体设计等。

建立了永磁电机的数学模型，对电机的性能进行了预测和评估。

接着，采用先进的优化算法，对电机的结构参数进行了优化，以提高电机的效率和可靠性。

结合实际应用案例，分析了永磁电机在不同领域的应用特点和技术难点，为永磁电机的应用提供了有益的参考。

通过本文的研究，可以为新型永磁电机的设计、分析与应用提供理论支持和技术指导，推动永磁电机技术的进一步发展和应用。

1. 永磁电机的发展历程与现状永磁电机，作为一种重要的电机类型，其发展历程与现状反映了电机技术的持续进步与革新。

早在20世纪初，永磁电机就已经开始被研究和应用，但受限于当时永磁材料的性能，其应用范围和效率相对较低。

随着稀土永磁材料的出现和发展，尤其是钕铁硼等高性能永磁材料的出现，永磁电机的性能得到了显著提升，应用领域也大幅扩展。

近年来，随着全球对节能减排和环保要求的不断提高，永磁电机以其高效率、高功率密度、低维护成本等优点，在新能源汽车、风力发电、电动工具、家用电器等领域得到了广泛应用。

电动汽车动力系统的优化设计与控制一、引言随着全球环保意识的增强与经济发展，电动汽车作为一种环保解决方案，逐渐受到人们的重视和青睐。

但受到电池续航里程的限制，电动汽车发展的重要一环就是提升电动汽车的动力系统性能，从而在续航里程和加速性能之间取得平衡。

因此，电动汽车动力系统的优化设计和控制对于电动汽车行业的长远发展至关重要。

二、电动汽车的动力系统优化设计1. 电动汽车动力系统的组成电动汽车动力系统主要由电机、电池、变速器、电缆和电控系统等构成。

其中，电机和电池是电动汽车动力系统的核心组成部分，影响着电动汽车的性能和续航里程。

2. 电动汽车动力系统的优化设计策略（1）电机优化设计电机的转速、转矩、效率等都是影响电动汽车性能的重要参数。

通过优化电机设计和控制方法，可以实现电机更高的功率密度、更高的效率和更好的控制性能，提高电动汽车的加速性能和续航里程。

（2）电池优化设计电池的能量密度、循环寿命和安全性等是影响电动汽车续航里程的关键因素。

优化电池设计和制造工艺，提高电池能量密度和循环寿命，同时保证电池的安全性，是提升电动汽车续航里程的重要途径。

（3）变速器优化设计电动汽车的变速器一般采用单速或多速变速器设计。

针对不同的行驶情况，可以选用不同的变速器设计方案，例如，在城市道路上采用单速变速器，在高速公路上采用多速变速器，以提高电动汽车的动力性能和续航里程。

（4）电控系统优化设计电控系统是电动汽车动力系统的调节和控制中心，其优化设计能够带来极大的性能提升。

通过设计高效的电控系统，实现电机和电池的精准控制和协同工作，提高电动汽车的能量利用效率和动力性能。

三、电动汽车动力系统控制技术电动汽车动力系统控制技术主要包括电机控制、电池管理、变速器控制和整车管理等方面。

1. 电机控制技术电机控制技术是电动汽车动力系统控制技术的核心。

电机控制技术依托于现代电力电子技术和控制算法，实现对电机的精确控制和调节。

通过合理的电机控制策略，可以调节电机运行的转速、转矩和功率等参数，以实现不同情况下的优化性能。

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。

高性能电机在机电系统中的设计与应用研究摘要：本论文研究了高性能电机在机电系统中的设计与应用。

首先，介绍了高性能电机的定义和特点。

接着，探讨了高性能电机在机电系统中的重要性和应用领域。

然后，对高性能电机的设计原则和方法进行了详细阐述，并对关键技术进行了研究和分析。

同时，分析了高性能电机在提高机电系统性能和效率方面的优势。

最后，展望了高性能电机在未来机电系统中的发展趋势和应用前景。

关键词：高性能电机，机电系统，设计，应用，性能优化引言随着现代机电系统的发展，对更高性能电机的需求越来越迫切。

高性能电机具有高功率密度、高效率、高精度和高可靠性等特点，对现代机电系统的性能和效率提升起到了至关重要的作用。

在过去的几十年里，高性能电机在工业、交通、军事和航空航天等领域得到了广泛应用。

虽然高性能电机的概念已经存在多年，但随着材料科学、电磁学和控制技术的不断发展，高性能电机的设计和应用领域也在不断拓展。

因此，深入研究高性能电机在机电系统中的设计与应用是非常重要的。

本论文旨在研究高性能电机在机电系统中的设计与应用，以提高机电系统的性能、效率和可靠性。

通过对高性能电机的设计原则、优化方法和关键技术的探讨，可以为机电系统的设计和制造提供指导和参考。

1高性能电机的定义和特点高性能电机是指具有优异性能、高功率密度、高效率、高精度和高可靠性的电机。

它相对于传统电机，在功率输出、效率、控制精度和可靠性方面具有显著的改进和提升。

高性能电机的特点如下：1.1 高功率密度：高性能电机在相同体积或重量下能够提供更大的功率输出，可以满足对高功率要求的应用。

1.2 高效率：高性能电机具有较高的能量转换效率，能够将输入的电能有效地转化为机械能，减少能源的浪费。

1.3 高精度和稳定性：高性能电机能够实现精确的控制和定位，对于需要高精度运动控制的应用非常重要，如机器人、自动化生产线等。

1.4 高响应速度：高性能电机具有较短的响应时间和高速度的动态特性，可以快速响应控制指令，适用于快速、动态的应用。

高速列车的车辆动力学建模与控制系统设计随着科技的不断进步与发展，高速列车成为了现代交通领域的重要组成部分。

高速列车的车辆动力学建模与控制系统设计是确保高速列车运行安全性和效率的关键。

本文将对高速列车的车辆动力学建模和控制系统设计进行介绍和探讨。

首先，高速列车的车辆动力学建模是指对列车运行过程中所涉及到的各种力学和动力学参数进行数学建模和模拟。

这使得我们能够更好地理解高速列车的行驶特性和力学行为，从而为控制系统设计提供基础。

车辆动力学建模主要涉及以下几个方面。

首先，对高速列车的运动参数进行建模。

包括列车的速度、加速度、位置等参数的建模，以及与运动相关的各种力的作用，如风阻、摩擦力等。

这些参数的准确建模可帮助我们理解列车的加速度和制动过程，从而更好地掌握列车的动力学特性。

其次，对高速列车的车辆结构进行建模。

列车是由多个车厢和车轮组成的复杂系统，每个车厢和车轮都有其独特的动力学特性。

因此，需要对列车的车体、车轮和车辆连接装置进行建模，以捕捉列车在运行过程中的动态行为。

这有助于我们理解列车的振动和稳定性问题，并为系统控制设计提供数据支持。

最后，对高速列车的牵引系统进行建模。

牵引系统是列车的主要动力来源，其中包括发动机、电机、传动装置等。

牵引系统的建模对于理解列车的动力性能和功率传递过程至关重要。

它可以帮助我们了解列车的加速度和制动能力，以及优化系统效率和能耗。

在进行车辆动力学建模的基础上，高速列车的控制系统设计成为确保列车安全运行的关键所在。

控制系统设计主要涉及以下几个方面。

首先，高速列车的速度和位置控制。

通过对车辆动力学建模的研究，我们可以了解列车的速度和位置对于系统稳定性和乘客舒适度的影响。

因此，在设计控制系统时，需要考虑如何使列车在预定路线上保持稳定的速度和位置，以确保高速行驶的安全和效率。

其次，高速列车的制动控制。

由于高速列车具有较大的质量和惯性，制动过程需要经过精确的控制。

制动控制系统可以根据列车的实时速度和位置信息，精确计算制动力的大小和持续时间，以实现均衡和安全的制动过程。

飞轮储能系统高速永磁同步电动发电机控制关键技术研究一、本文概述随着全球能源结构的转型和可再生能源的大力发展，飞轮储能系统作为一种新型储能技术，凭借其高功率密度、快速充放电、长寿命等优势，逐渐受到业界的广泛关注和深入研究。

高速永磁同步电动发电机作为飞轮储能系统的核心部件，其控制技术的优劣直接影响到整个系统的性能与稳定性。

对高速永磁同步电动发电机控制关键技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

本文旨在深入研究飞轮储能系统中高速永磁同步电动发电机的控制技术，针对其高速旋转、高功率密度、高精度控制等特点，探索有效的控制策略和优化方法。

对高速永磁同步电动发电机的基本原理和结构特点进行详细介绍，为后续的控制技术研究奠定理论基础。

重点分析现有控制技术的优缺点，并针对存在的问题提出改进方案。

在此基础上，结合先进的控制理论和技术手段，设计高效的控制算法，实现对高速永磁同步电动发电机的高效、稳定控制。

通过仿真和实验验证所提控制技术的有效性和可行性，为飞轮储能系统的实际应用提供有力支持。

本文的研究内容不仅有助于推动飞轮储能技术的发展和应用，也为相关领域的研究人员提供有益的参考和借鉴。

同时，本文的研究成果对于提高我国在新能源和储能技术领域的自主创新能力和核心竞争力具有重要意义。

二、飞轮储能系统概述飞轮储能系统（Flywheel Energy Storage System，FESS）是一种基于机械能储存与释放原理的新型储能技术。

其基本原理是，通过高速旋转的飞轮将电能转化为机械能进行储存，当需要能量时，飞轮减速将机械能再转化回电能。

这种储能方式具有响应速度快、效率高、寿命长、维护成本低等优点，因此在电力调峰、分布式能源、不间断电源等领域具有广泛的应用前景。

飞轮储能系统的核心部件是高速永磁同步电动发电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous MotorGenerator，HSPMSG）。

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 F ,et al .A high speed induc 2tion generator based on power integration techniques [C/CD ].Hong K ong :IEEE 2IAS.Conference Record of the IEEE Industry Applications S ociety Fortieth Annual Meeting Kwloon ,2005.[4]Rahman M A ,Chiba A ,Fukao T.Su per high speedelectrical machines 2summary [A ].IEEE Power Engi 2neering S ociety G eneral Meeting [C ].Denver :IEEE ,2004:1272-1275.[5]Bianchi N ,Bolognani S ,Luise F.Potentials and limitsof high 2speed PM motors [J ].IEEE Transactions on Industry Applications ,2004,40(6):1570-1578.[6]G ieras J parison of high 2power high 2speed ma 2chines:cage induction versus switched reluctance mo 2362第3期王凤翔:高速电机的设计特点及相关技术研究 tors[A].1999IEEE Aericon25th Conference in Africa[C].S outh Africa:IEEE,1999:675-678.[7]Wang F X,Zheng W P,Z ong M,et al.Design consid2erations of high2speed PM generators for microturbines[A].China Electric Power Research Institute.2002IEEE International Conference on Power S ystemTechnology Proceedings[C].Kuming:Yunnan Scienceand Technology Press,2002:158-162.[8]Aglen O,Andersson A.Thermal analysis of a highspeed generator[A].IEEE2IAS.Conference Record ofthe IEEE Industry Applicatons S ociety Thirty EinghtAnnual Meeting[C].Salt Lake City:IEEE,2003:547-554.[9]Aglen O.Loss calculation and thermal analysis of ahigh2speed generator[A].IEEE Electric Machines andDrives Conference[C].Madison:IEEE,2003:1117-1123.[10]Wang F X,Z ong M,Zheng W P,et al.Design featuresof high speed PM machines[A].Proceedings of theSixth International Conference on Electrical Machines and Systems[C].Beijing:International Academic Pub2 lishers Word Publishing Corporation,2003:66-70. [11]Binder A,Schneider T,K lohr M.Fixation of buriedand surface mounted magnets in high2speed permanentmagnet synchronous motors[A].Conference Record ofthe IEEE Industry Applications S ociety Fortieth An2nual Meeting[C].Hong K ong:IEEE,2005:2843-2848.[12]王继强,王凤翔,鲍文博,等.高速永磁电机转子设计与强度分析[J].中国电机工程学报,2005,25(15):140-145.(Wang J Q,Wang F X,Bao W B,et al.Rotor designand strength analysis of high speed permanent magnetmachine[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(15):140-145.)[13]Yu T,Wang F X,Wang J Q,et al.Investigation onstructure of stator core and winding for high speed PMmachines[A].Proceedings of the Eighth InternationalConference on Electrical Machines and S ystems[C].Beijng:International Academic Publishers Word Pub2lishing Corporation,2005:903-906.[14]Schatzer C,Binder A.Design optimization of a highspeed permanent magnet machine with the V EKOPTalgorithm[C/CD].Roma:Conference Record of theIEEE Industry Applications S ociety Thirty Fifth An2nual Meeting(IEEE2ISA’2000),2000.[15]Filatov A V,Maslen E H,G illies G T.A method ofnoncontact sus pension of rotating bodies using electro2magnetic forces[J].Journal of Applied Physics,2002,91(4):2355-2371.[16]Ooshima M,Chiba A,Fukao T,et al.Design and anal2ysis of permanent magnet2type bearingless motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1996,43(2):292-299.[17]Wang F X,Bai H R,Yu S F.A re pression method ofcurrent harmonics using phase2shifting reactor for highspeed generator[A].Proceedings of the Eighth Inter2national Conference on Electrical Machines and S ys2tems[C].Beijing:International Academic PublishersWord Publishing Corporation,2005.[18]Ochije K N,Pollock C.A controlled PWM AC/DCconverter for a high2speed brushless generator for mini2mum kVA rating[J].IEEE Transactions on IndustryApplications,2004,40(3):861-868.[19]Offringa L J J,Duarte J L.A1600kW IG B T conver2ter with interphase transformer for high speed gas tur2bine power plants[C/CD].Roma:Conference Record of the IEEE Industry Applications S ociety Thirty FifthAnnual Meeting(IEEE2IAS’2000),2000.[20]Ochije K N,Pollock C.A controlled PWM AC/DCconverter for a high2speed brushless generator for mini2mum kVA rating[J].IEEE Transactions on IndustryApplications,2004,40(3):861-868.(责任编辑:王艳香　英文审校:杨俊友)462 沈　阳　工　业　大　学　学　报第28卷。