张凤阁;杜光辉;王天煜;王凤翔;Wenping CAO;王大朋
【摘 要】高速电机设计时即要满足电磁性能要求,又要满足机械特性的要求,还需满足冷却与温升的要求,因此高速电机的设计是一个多物理场迭代综合设计过程.针对高速电机的多物理场一体化设计过程,本文基于电磁场-转子强度-转子动力学-流体场与温度场等对一台1.12MW,18 000r/min的高速永磁电机进行了综合设计,在多物理场仿真分析的基础上,得到了满足电磁性能、转子强度、临界转速和电机温升的综合设计结果,并加工了一台样机,进行了电机性能实验、转子机械特性实验以及温升实验,实验结果与计算结果相吻合,验证了本文仿真分析与设计方法的可行性,对大功率高速永磁电机的设计与发展具有一定的借鉴意义. 【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2015(030)012
【总页数】10页(P171-180)
www.3x6c【关键词】高速永磁电机;多物理场;综合设计;电磁特性;机械特性;温度场
【作 者】张凤阁;杜光辉;王天煜;王凤翔;Wenping CAO;王大朋
【作者单位】齿槽转矩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;沈阳工程学院机械工程学院 沈阳 110136;沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870;Electrical Engineering and Computer Science Queen's University Belfast Belfast BT9 5AH UK;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】TM315
随着科技水平的发展，在储能飞轮、真空泵、高速磨床、压缩机、航空航天、舰载供电设备等各工业领域对高速电机的需求越来越大[1-2]。我国对高速电机的研究大都停留在几十千瓦以下的小功率阶段，大功率高速电机的研究还属于起步阶段。高速永磁电机的供电频率和铁心交变频率约为普通电机的十多倍，导致基本电气损耗的较大增加，因此设计合理的电磁方案，从而减小电机各部分损耗成为电磁设计的重点。对于高速永磁电机，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，同时为了避 免转子弯曲共振的发生，必须准确预测转子系统的临界转速，因此转子强度的合理设计和动力学分析是高速电机设计的关键技术。高速电机体积小，损耗密度大，容易造成永磁体不可逆失磁，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[3]。从以上可知，高速电机的设计是集电磁设计、转子强度设计、转子动力学分析以及冷却系统设计等多物理场综合设计的过程，必须每个关键技术都得到合理的解决方案，高速电机才能可靠安全运行。
国内外学者对高速电机的关键问题进行了相关的研究。文献[4-6]对高速永磁电机的损耗特性进行了详细的分析，对于高速永磁电机的转子强度问题，文献[7-9]对高速永磁电机合金保护套的转子强度进行了解析法分析与有限元计算，文献[10-13]对碳纤维保护套进行了理论分析与有限元验证。文献[14-17]利用有限元法对陶瓷球轴承、空气轴承、磁轴承支撑转子进行了固有频率的计算，并进行了实验验证，但以上转子均为刚性转子。文献[18-20]对75kW和117kW的高速永磁电机设计了环形绕组，并在环形绕组的内外槽中开设了冷却通道用来降低定转子温度，文献[21-22]对1MW和2MW的高速永磁电机介绍了一种转子风冷与定子水冷的散热方式，但没有对温度分布进行计算与分析，对兆瓦级高速永磁电机冷却系统与温度分布研究的文献还很少。文献[23]基于电磁场、应力场与转子动力学对一台100k
W，60kr/min的高速永磁电机转子进行了综合设计，文献[24]对一台1kW，130kr/min的超高速开关磁阻电机进行了电机本体、转子强度、临界转速等综合设计与计算。对于高速永磁电机，特别是大功率的高速永磁电机的多物理场的综合设计的相关文献还很少。
本文基于一台1.12MW，18kr/min的高速永磁电机，进行电磁—转子强度—转子动力学—冷却系统等多物理场一体化设计，得到了满足电磁性能、转子强度、临界转速和电机温升的综合设计结果，并加工了一台样机，进行了电机性能实验、转子机械特性实验以及温升实验，实验结果与计算结果相吻合，为兆瓦级高速永磁电机的发展提供参考依据。
高速电机设计是一个集电磁场、应力场、转子动力学、流体场与温度场等多物理场迭代综合设计过程，设计流程如图1所示。在高速电机设计时，电磁性能、转子机械特性以及电机冷却与温升等多个关键问题同时得到解决，各关键问题的性能均满足要求，高速电机的设计才算完成。海马ゆう
3.1 基本设计原理
防静电水磨石高速电机高速旋转时，转子表面产生很大的离心力，在设计时首先要保证转子表面的离心
棱镜片影视创意制作力在材料允许的极限范围内，因此高速电机的直径不能像常规电机那样选取，而应考虑转子材料可承受的最大离心力，转子外径最大值的确定方法步骤如下所述。电机高速旋转时转子表面产生的离心力大小为
则离心应力为
强度条件为
其中m为转子质量，A为转子横截面积，r为转子外径，ν为转子外表面线速度，[σ]为材料许用应力，S为安全系数。
对于确定的材料，通过公式（3）可以得到一个最大的转子外表面线速度vmax，则转子最大外径为:
其中，ω为转子旋转角速度，因此选取电机转子外径时应使其小于Dmax，综合考虑永磁电机转子刚度和电机输出功率的要求确定永磁转子外径和长度，根据电机的长径比确定电机的主要尺寸。
3.2 转子结构的选择
高速电机的极数都较少，一般情况设计为2极或4极。2极电机频率低，损耗小，永磁体可以采取整体结构，但2极电机定子绕组端部较长，降低了转子的刚度。4极电机定子绕组端部较短，但是定子绕组电流和铁心中磁场的交变频率较高[1]。对于本文所设计的1.12MW高速永磁电机，转子采用2极结构时的平均半匝长约为1 300mm，而采用4极结构时的平均半匝长约为870mm，2极电机的轴长长度和平均半匝长度远远大于4极电机，这将给大功率高速永磁电机的转子动力学设计带来严重的困难。 常用的永磁体材料主要有NdFeB和SmCo，NdFeB永磁材料的剩磁通密度度和矫顽力较大，但易受温度影响，最大承受温度约为180℃，抗拉强度约为80～140MPa，SmCo永磁材料的剩磁通密度度较小，但最大承受温度高达350℃以上，但抗拉强度小，约为25～30MPa，因此使用SmCo永磁材料需要更大保护套厚度，从而增加气隙长度，增加永磁体用量。
永磁体在高速旋转下，难以承受巨大的离心力，必须对永磁体采用保护措施，主要有合金钢保护套和碳纤维保护套，采用合金钢保护套时会在保护套中产生巨大的涡流损耗，对于本文所设计的1.12MW的高速永磁电机，采用合金护套时的转子涡流损耗高达35kW，这对电机设计是无法接受的，因此本文采用碳纤维保护套。
3.3 定子结构的选择
本文对不同定子槽数对转子涡流损耗和齿槽转矩的影响程度进行了分析，如图2所示。从图2可以看出，12槽的转子涡流损耗和齿槽转矩远远大于其他方案，27槽为分数槽，齿槽转矩接近0，36槽方案的转子涡流损耗最小。但由于本文设计的电机是大功率高压电机，必须采用矩形槽和扁铜线绕组，矩形槽的宽度受到绕组的限制，可调范围很小，因此当槽数过多时，会造成定子齿磁通密度过大。
3.4 电磁设计方案
1.12 MW，18kr/min的高速永磁电机结构如图3所示，设计参数如表2所示。电机选用4极转子结构，转子铁心与转轴一体结构，转子铁心采用高强度导磁的碳素钢材料，永磁体采用NdFeB材料，每极永磁体径向分为3块，极间间隙采用高温高强度的塑料填充。永磁体外捆扎碳纤维保护套，碳纤维保护套与永磁体采用过盈配合，定子采用27槽矩形槽结构，定子铁心采用低损耗系数的硅钢片材料，绕组采用扁铜线双层短距绕组，在定子槽靠近气隙侧预留一定高度的通风道。
利用有限元法对1.12MW高速永磁电机进行电磁特性仿真，结果如图4所示。从图4可以看出由于定子槽的存在，气隙磁通密度存在较大的谐波，三相绕组的空载相反电动势趋于平顶波，有效值约为1.65kV，占三相额定相电压的95.2%，负载运行时的平均值转矩约为598N·m，负载运行时相电流接近正弦波，有效值为225A。
4.1 转子强度分析
永磁体抗拉强度很小，必须对永磁体采用保护措施，高速永磁电机护套材料主要有纤维材料和合金材料，对于本文所设计的兆瓦级高速永磁电机，当采用合金护套时，护套中存在较大的涡流损耗，发热严重，因此，本文选择机械强度较高的碳纤维材料。为了保证永磁体在高速旋转时受到压应力，护套与转子之间采用过盈配合。在电机高速旋转时，高速永磁保护套和永磁体所受应力必须小于相应的材料最大抗拉强度，才能保证转子稳定运行。
本文对1.12MW高速永磁电机设计了碳纤维保护措施，如图5所示，碳纤维与永磁体采用过盈配合。由于转子应力的解析公式不能考虑永磁体分块以及极间填充物而引起的边缘效应和弯曲效应，因此本文利用有限元法对运行在1.2倍额定转速，150℃时的转子应力进行分析，结果如图6。从图6可以看出，在高温运行时，永磁体最大径向应力为140MPa，集中
在永磁体与填充物接触的边界，永磁体径向应力为压应力，而永磁体可承受的压应力约为800MPa。永磁体最大切向应力为88MPa，集中在永磁体内表面，为拉应力，已经很接近永磁体的可承受的抗拉强度了。碳纤维保护措施由于弯曲应力的存在，保护套最大切向应力集中在极间填充区域，但保护套的最大切向应力远远小于保护套的抗拉强度（1 400MPa）。从以上分析可以得出，当转子运行在1.2倍额定转速，150℃时，碳纤维护套的应力尚存有较大的余量，但永磁体切向应力已经接近永磁体的抗拉极限了。
4.2 临界转速的计算
转子动力学设计是高速电机设计的重要内容，当转子的转速与转子的临界转速接近时，转子将会发生剧烈的弯曲振动，引起整个机组振动，严重时使得转子破坏，为了避免弯曲共振的发生，必须准确预测转子系统的临界转速。对于刚性转子电机工作转速应低于1阶临界转速；对于挠性转子，应使工作转速在1阶临界转速与2阶临界转速之间。
本文所设计的1.12MW高速永磁电机，采用油膜滑动轴承，利用有限元法对有叶轮和无叶轮时的临界转速进行了计算，不同临界转速下的变形如图7所示和图8所示。从图7和图8可以看出，无叶轮时的一阶弯曲模态固有频率为295Hz，对应的临界转速为17 700r/min，临
界转速接近电机的额定转速，会在电机额定转速时发生剧烈的振动。有叶轮时的1阶弯曲模态固有频率为212Hz，对应的临界转速为12 720r/min，2阶弯曲模态固有频率为432Hz，对应的临界转速为25 920r/min，可见有叶轮时电机额定转速位于1阶临界转速与2阶临界转速之间。
5.1 冷却结构
由于高速电机的定转子都存在大量的损耗，本文对1.12MW高速永磁电机采用转子风冷与机壳水冷相结合的冷却方式，如图9所示，在定子槽内预留一定的内风道，冷风从设置在电机机壳一侧的进风口流入，经过绕组一侧的端部，流经定子槽内预留的内风道和气隙，带走转子热量，流经绕组的另一侧的端部，从设置在机壳另一侧的出风口流出，同时在定子机壳内开设有螺旋水路。
5.2 求解域模型与边界条件
电机转子主要是靠通风系统散热，且转子永磁体极间填充物较小，转子部分通过填充物传递的热量是非常有限的，因此为了简化温度场计算模型，这里忽略转子填充物对转子温度
的影响，取电机周向一个齿槽宽、轴向全轴长为求解模型，冷却结构的求解域模型如图10所示。对于通风系统采用流固耦合求解模型，对于水路结构这种非对称结构，难以采用流固耦合法对电机进行温度计算，并且进水口和出水口的水温相差很小，可以采用平均散热系数的方法进行求解。
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