高速永磁电机设计与运行分析技术
高速永磁同步电机电磁分析与转子动力学研究
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。
新型永磁电机的设计、分析与应用研究
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。
基于软磁复合材料的超高速永磁同步电机电磁设计分析
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。
永磁同步电机毕业设计永磁同步电动机的电磁设计与分析
永磁同步电动机的电磁设计与分析摘要永磁同步电动机（PMSM）是一种新型电机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。
和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而具有效率高，功率因数高，转矩惯量大，定子电流和定子电阻损耗小等特点。
本文主要介绍永磁同步电动机（PMSM）的发展背景和前景、工作原理、发展趋势，以异步起动永磁同步电动机为例，详细介绍了永磁同步电动机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求，主要尺寸，永磁体计算，定转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算，起动性能计算，还列举了相应的算例。
还通过Ansoft软件的Rmxprt模块对永磁同步电动机了性能分析，得出了效率、功率、转矩的特性曲线，并且分别改变了电机的三个参数，得出这些参数对电机性能的影响。
又通过Ansoft软件Maxwell 2D的瞬态模块对电机进行了仿真，对电机进行了磁场分布计算，求出了电流、转矩曲线和电机的磁力线、磁通密度分布图。
关键词永磁同步电动机；电磁设计；性能分析The design of Permanent-MagnetSynchronous MotorAbstractPMSM (Permanent-Magnet Synchronous Motor) is a new type of motor, which has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low loss, high efficiency. Compared with the DC motor, it has no DC motor commutator and brush. Compared with the asynchronous motor, because it does not require no power excitation current, It has the advantages of high efficiency, high power factor, large moment of inertia, stator current and small stator resistance loss .The paper mainly introduces the PMSM's development background and foreground, working principle, development trend, taking asynchronous start permanent magnet synchronous motor as an example, it introduces in detail the electromagnetic design of PMSM, that mainly includes the rated data and technical requirements, main dimensions, permanent magnet calculation, rotor and stator punching, winding calculation, magnet circuit calculation, parameters calculation, performance calculation, calculation of starting performance , and also lists the revevant examples. We aslo can analyse the performance of PMSM through the Rmxprt module of Ansoft software and conclude that the characteristic curve of efficiency, power, torque. By changing two parameters of the motor, I get the optimal scheme of the motor. Through transient module of Ansoft software Maxwell 2D to simulate the motor parameters, the magnetic field distribution of the motor is calculated, I can be obtained the curves of the current and the torque, the distribution of magnetic line of force and the distribution of magnetic flux density.Keywords PMSM; Motor design; Performance analysis目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (4)1.1 课题背景 (4)1.2 永磁电机发展趋势 (5)1.3 本文研究主要内容 (6)第2章永磁同步电动机的原理 (7)永磁材料 (7)2.1.1 永磁材料的概念和性能 (7)2.1.2 钕铁硼永磁材料 (8)永磁同步电动机的基本电磁关系 (9)2.2.1 转速和气隙磁场有关系数 (9)2.2.2 感应电动势和向量图 (10)2.2.3 交直轴电抗及电磁转矩 (12)小结 (13)第3章永磁同步电动机的电磁设计 (14)3.1 永磁同步电机本体设计 (14)3.1.1 永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标 (14)3.1.2 定子冲片和气隙长度的确定以及定子绕组的设计 (15)3.1.3 转子铁心的设计 (16)永磁同步电动机本体设计示例 (18)3.2.1 额定数据及主要尺寸........................................ 错误!未定义书签。
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
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。
新型永磁外转子电机的设计与分析
新型永磁外转子电机的设计与分析简介永磁外转子电机是一种新型的电机类型，它与传统的永磁内转子电机相比，具有更加优秀的动态特性，转速响应更快、更准确。
除此之外，其结构也更加紧凑，因此具有更加广泛的应用前景。
本文将介绍永磁外转子电机的结构设计和性能分析，并简要介绍其应用领域和发展前景。
永磁外转子电机的结构设计永磁外转子电机的结构相对于传统的永磁内转子电机，最大的不同在于其定子部分是内部，转子部分则成为了外部，同时外部转子的形状也完全不同。
永磁外转子电机主要由两个部分组成，分别为转子和定子。
其中转子由永磁磁铁和轴承支持组成，轴承支持主要起到支撑转子的作用，以确保转子能够平稳旋转。
定子则由线圈和铁芯组成，线圈通过外部设置的电源通电，然后与转子产生电磁作用，驱动转子旋转。
永磁外转子电机的性能优势与传统的永磁内转子电机相比，永磁外转子电机具有以下的性能优势：1.发热量更少永磁外转子电机由于结构更加紧凑，因此空气阻力较小，同时也会产生较少的磁场损耗，从而减少了发热量。
2.效率更高永磁外转子电机的结构使得其转子和定子的距离更近，因此磁阻更小，磁场更强，同时也更加节能。
3.转速响应更快永磁外转子电机具有更快的响应时间，对于需要高速旋转、精密控制的设备非常适合。
应用领域和发展前景永磁外转子电机主要应用于高要求的电机应用领域，特别是在需要高速旋转和精密控制的场合下。
例如，永磁外转子电机对于飞行器、无人机、及医疗等领域均有广泛的应用。
随着科技的进步，永磁外转子电机在未来的发展趋势将会更加广阔，其性能的优秀将会促进其更多的应用。
总结本文简要介绍了永磁外转子电机的结构和性能优势，介绍了其应用领域和发展前景。
仅当有了更好的理解和掌握新型永磁外转子电机的设计和分析，才能促进其在各种领域更加广泛的应用。
高速电机的设计特点及相关技术研究
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。
高速永磁电机
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。
高速永磁电机转子强度分析与护套设计
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。
基于JMAG软件的高速永磁电机的研究与设计
永磁体厚度、绕组节距 以及极弧系数进行了优化仿真。通过 Ｊ Ｍ Ａ Ｇ软件建模仿真 ，完成了对高速 永磁 电机 的磁密、磁感线 、空负载 电动势 以及 电机转矩 的分析 ，该 电磁方案可为高速永磁 电机设计与优化分析提供
一
定的理论依据 。
关键词 ：高速永磁 电机 ；Ｊ Ｍ Ａ ６软件；仿真 中图分类号 ：Ｔ Ｍ ３ ５ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｈｉ ｇ ｈ － Ｓｐｅ ｅ ｄ Ｐｅ ｒ ｍａ ｎｅ ｎｔ Ｍａ ｇ ｎｅ ｔ
Ｍｏ ｔ ｏ ｒ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｊ Ｍ ＡＧ Ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ
Ｚ ＨＡＯ Ｌ ｏ ｎ ｇ — ｔ ａ ｏ ， Ｙ Ｉ Ｎ Ｙａ ｎ － ｊ ｉ ｅ ， ＤＯ Ｕ Ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ — ｓ ｅ ｎ （ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆｌ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｑｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ ２ ６ ６ ５ ９ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｍａ ｎｅ ｇ ｔ ｉ ｃ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｌ ｉ ｎ ｅ ｓ ， ａ ｉ ｒ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｎｄ ａ ｈｅ ｔ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｌ ｏ ａ ｄ ｔ ｏ ｒ ｑ ｕ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｎｅ ｇ ｔ ｉ ｃ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｃ ａ ｎ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｈｅ ｔ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ
高速永磁电机设计与分析技术综述
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。
永磁同步电机结构设计及特性分析
0引言永磁同步电机是一种新型的电机类型，其具有着显著的性能特点，由于其使用永磁体进行励磁，对电机结构进行了简化，且还具有着损耗低与发热量低等特点，因此在新能源汽车发展中得到了广泛应用。
本文就针对永磁同步电机从其永磁体、定子和减重孔等方面进行结构设计分析，并对其结构特性进行研究，希望对此技术发展具有一定的参考价值。
1永磁同步电机工作原理永磁同步电动机启动以及运行都是通过定子的绕组、永磁体以及转子鼠笼的绕组等三者产生磁场相互的作用而产生的。
在电动机处于静止状态时，向定子绕组进行三相对称的电流通入，就会产生出定子旋转的磁场，则定子旋转的磁场转子旋转于笼型绕组中而产生相应电流，进而形成了转子旋转的磁场，在定子旋转的磁场和转子旋转的磁场互相作用下，产生异步的转矩而让转子逐渐由静止加速开始转动。
此过程中，由于转子永磁的磁场和定子旋转的磁场转速存在不同，就会造成交变转矩的产生，若转子加速至速度和同步转速接近时，其转子永磁的磁场和定子旋转的磁场具有转速是接近相等的，且定子旋转的磁场速度是比转子永磁的磁场稍大，两者互相作用就会产生转矩把转子牵入同步运行的状态中。
同步运行的状态中，其转子绕组中就不再进行电流产生，这时转子上就只存在永磁体进行磁场的产生，其和定子旋转的磁场互相发生作用，就会形成驱动的转矩。
因此，这种永磁同步的电动机是依靠转子的绕组异步转矩来实现启动，在完成启动后，其转子绕组就不再发挥作用，通过永磁体与定子绕组所产生磁场互相作用形成驱动的转矩[1]。
2永磁同步电机结构设计分析2.1永磁体结构设计永磁体在转子上进行放置，由于矩形的永磁体在转子铁芯的内部井嵌入，能够有效的提高其结构安全可靠性，因此本文就将将永磁体设计为矩形结构。
在进行永磁体结构的设计中，还要做好永磁体的用量和永磁体的尺寸确定。
通过对永磁体设计成矩形的结构，就能够有效的减少其加工所需要的时间以及用量。
在永磁体的尺寸确定中，主要涉及3个尺寸，分别是磁化方向的长度（h M）、磁化的宽度（b M）和轴向的长度（L M）。
超高速永磁同步电机转子护套设计分析及优化
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。
高速永磁电机转子设计与强度分析
高速电机采用 2 极结构。永磁材料选用耐高温 （工作温度≦180℃） 高性能烧结钕铁硼。 永磁体采 用整体结构，以保证电磁与机械特性的对称性。永 磁转子的直径和长度， 根据电机的额定转速和功率， 经过对电磁和机械性能的优化设计后确定。
3
转子强度分析
3.1 转子强度分析的目的 转子强度分析的主要目的，是通过静态和高速 旋转时动态的应力分析，校验永磁体和护套是否能 够承受所允许的应力，保证高速电机的安全运行。 由于永磁体能够承受很大的压应力而不能承受较大 的拉应力， 永磁体和保护套之间需要采用过盈配合， 使永磁体静态承受一定的压应力，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， 永磁体和保护套之间需要采用多大的过盈量， 是转子强度分析所要解决的问题。 永磁转子的结构尺寸如图 2 所示。 由图 2 可看出， 永磁体和护套的形状比较规则， 可根据弹性力学理论采用解析法进行应力分析[3]。
基金项目：国家自然科学基金项目（50437010） 。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50437010).
1
引言
由电机运行原理可知，当转矩一定时，电机的 输出功率与转速成正比，也就是说，通过增加转速 可提高电机的输出功率。高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，天然气管道中采用的离心压缩机和鼓风 机以及分析设备中的真空泵等。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。对于小型燃气轮机来说，由于不需 要驱动传统低速电机必须的减速器，不但提高了工 作效率，而且提高了可靠性[1-4]。永磁电机由于其结 构简单，力能密度高和无励磁损耗效率高等优点， 最适合用于高速电机[3-5]。 高速电动机和发电机的转速通常在 30000 r/min 以上,甚至超过 100000 r/min，定子齿和铁心中磁通 的变化频率超过 1kHz。 高速高频电机的设计与普通 低速低频的电机有很大的不同[6-9]。 转子与轴承系统 的动力学分析对高速电机的运行可靠性有着重要的 意义[10-14]。 转子设计是高速永磁电机设计的关键，主要考 虑的问题有：转子直径和长度的选取；永磁材料的 选择和采用的保护方式（永磁体不能承受高速旋转 时受到的巨大的离心力，必须采用一些高强度材料 来保护） ；转子的强度和刚度分析；轴承的设计（高 速电机不能采用普通的轴承而必须采用非接触式的 空气轴承或磁力轴承）等。本文着重论述转子强度 和永磁体的保护问题。
3MW高速永磁风力发电机设计与分析
３ ＭＷ 高速 永磁 风 力发 电机 设计 与分析
李 广 张 蕾 李志鹏
南车株洲 电机有限公司 （ ４ １ ２ ０ ０ １ ）
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ３ ＭＷ Ｈｉ ｇ ｈ－ － ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ＰＭ Ｗ ｉ ｎ ｄ— － ｔ ｕｒ ｂｉ ｎｅ Ｇｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ Ｌ Ｉ Ｇｕ ａ ｎ ｇ Ｚ ＨＡＮＧ Ｌ ｅ ｉ Ｌ ＩＺ ｈ ｉ ｐ ｅ ｎ ｇ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｅ ｔ ：Ａｆ ｔｅ ｒ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｙ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆｔ ｈｅ ｈ ｉ ｇ ｈ －
负荷 ， 然后用式 （ １ ） 即电机主要尺寸计算公式 确定发电机的主要尺寸：
Ｊ ［ ） ２ ｌ ｅ ｆ ６． １
１ ． ２ ． １ 转 子 结 构
由于永 磁体 的高磁 能积 ， 高速 永磁 风 力发
电机 的几何尺寸远 小于 同功率 的中低速 永磁 发
电机和 双馈 发电机 ， 具有效率高 、 结构紧凑 、 可 靠性 高、 维护量小等诸多优点 ， 并且 由于采用全
功率变频 控制 ， 使机 组 具有 良好的低 电压 穿越 性能， 成为风 电领域 的研究热点。 本文对高速 永
行稳定性。
１ ． ２ ． ２ 永 磁体 尺寸
鲫 删
垤
方面。 在 永磁风 力发 电机突然短路 时， 会有很大 的暂态冲击电流， 可能导致 永磁体出现局部不可 逆 失磁 ， 永磁体 的剩 磁降低 ， 空载 电势下降 ， 电
绕组系数。
由于永磁电机功率密度更高， 在某些场合可
以替代双馈电机和三相异步电机 。 出于节约成本
永磁同步电机结构设计及其特点分析
永磁同步电机结构设计及其特点分析摘要：相较于传统感应电动机，永磁同步电动机具有更加独特的性能，其较为明显的特点主要表现为体积小、功率密度高、效率以及功率因数高等。
对于永磁同步电机，转子安装主要是由永磁体作为磁极。
在电机转动且功角大于零时，电机定子合成磁场的轴线，落后于转子主磁场轴线，则转子和电磁转矩旋转相反的状态，转矩表现为制动。
因此，在永磁同步电动机中，要保证转子和定子合成电磁转速和方向同步，需引导转子实现工作转矩的输出。
本文将以永磁同步电机为研究对象，对其结构的设计和特点进行简要的探讨与分析。
关键词：永磁同步电机；结构设计；特点分析电动汽车具有低噪音、低排放甚至零排放、高效能和能源多样化等显着优势，对于实现交通能源多样化、维护国家能源安全、减少汽车排放和社会可持续发展具有重要意义。
电动汽车对电机的要求是：体积小、重量轻、功率和扭矩密度高、过载能力强、调速范围大、效率高、环境适应性好、可靠性高、性能好、成本低等。
永磁同步电动机由于结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、惯性小、响应快等优点，已成为车用电动机开发和使用的热点，是新一代电动汽车的首选。
本文分析了车用永磁同步电机的优化，这是新能源汽车面临的一个重要问题，无论是电机设计技术、发动机控制技术等汽车零部件技术的发展，还是实现新能源汽车可持续发展,永磁同步电机结构设计具有重要的参考价值和应用价值。
永磁同步电机直接采用永磁体励磁，简化了电机结构，发热量低，损耗小。
电动机的励磁部分为永磁体，其结构和形状可根据具体需要进行放置，具有很大的灵活性。
设计时，除了结构强度和布局合理性外，还要考虑电机的使用寿命[1]。
1 永磁同步电机工作原理永磁同步电动机是交流电动机的一种。
与异步电机不同的是，永磁同步电机的永磁体安装在转子侧面，极性清晰。
永磁同步电动机在运行过程中，当定子合成磁场的轴线落后于转子主磁场轴线，即功率角大于0时，转子的转动方向与电磁力矩的方向相反，转矩起制动作用。
永磁直流无刷电机实用设计及应用技术
永磁直流无刷电机实用设计及应用技术1. 引言1.1 概述随着科技的不断发展，无刷电机在各个领域的应用越来越广泛。
其中，永磁直流无刷电机作为一种重要的驱动装置，在电动汽车、工业自动化设备和家用电器等领域中扮演着重要角色。
本文将对永磁直流无刷电机进行实用设计及应用技术的全面探讨，旨在帮助读者更好地理解并应用该技术。
1.2 文章结构本文分为五个主要部分：引言、永磁直流无刷电机的原理和特点、实用设计技术、应用案例分析以及结论与展望。
通过这些内容，我们将全面介绍永磁直流无刷电机及其相关技术的基本原理、实际应用过程中需要考虑的设计参数，以及一些常见的应用案例。
最后，我们将总结研究成果，并探讨未来该领域的发展趋势和前景。
1.3 目的本文的主要目的是介绍永磁直流无刷电机实用设计及其应用技术，从而使读者能够了解和掌握这一重要领域的知识。
通过深入研究各种设计和优化技术，我们可以更好地理解电动汽车、工业自动化设备和家用电器等领域中永磁直流无刷电机的应用，并为实际工程设计提供参考和指导。
同时，本文也旨在为未来的研究和创新提供一定的启示，并展望该领域的发展趋势。
2. 永磁直流无刷电机的原理和特点:2.1 原理介绍:永磁直流无刷电机是一种利用永磁体产生磁场，通过电子器件控制换相的电机。
其工作原理基于法拉第感应定律和洛伦兹力定律。
在该电机中，通过转子上的永磁体所产生的磁场与由驱动器产生的旋转磁场进行交互作用，从而实现电机运转。
2.2 特点分析:永磁直流无刷电机具有以下几个特点：(1)高效率：相比传统直流有刷电机，无刷电机采用固态换向器件，减少了刷子摩擦损耗和碳粉污染等问题，因此具有较高的效率。
(2)低维护成本：无刷电机没有刷子和换向环境等易损部件，从而降低了维护成本，并延长了使用寿命。
(3)快速响应能力：无刷电机具有较高的动态响应能力，并且可以通过调整驱动器参数来实现不同的控制策略，以满足不同工况下的要求。
(4)高功率密度：由于无刷电机采用了永磁体产生较强磁场，而且没有绕组饱和现象，因此具有较高的功率密度。
高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算
高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算一、概述高速永磁同步电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor, HSPMSM）作为现代工业自动化领域的关键设备，因其高效率、高功率密度和良好的控制性能，在航空航天、高速列车、电动汽车等重要领域得到广泛应用。
高速运行条件下，电机内部的热效应和温升问题成为限制其性能和可靠性的关键因素。
电机的损耗分析和温度场计算对于理解其热行为、优化设计以及确保运行安全至关重要。
本论文旨在对高速永磁同步电机的损耗和温度场进行系统分析。
将对电机的损耗类型进行分类，包括铁损、铜损和杂散损耗，并探讨各种损耗在高速运行条件下的变化规律。
将详细介绍基于有限元方法的电机温度场计算流程，涉及热生成、对流散热、热传导等关键物理过程。
通过实验验证和仿真结果对比，评估所提方法的有效性和准确性，为高速永磁同步电机的热管理提供理论依据和技术支持。
1. 高速永磁同步电机的发展背景和应用领域随着科技的不断进步和工业的快速发展，电机作为转换电能为机械能的核心设备，其性能的提升与技术的革新显得尤为重要。
高速永磁同步电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor,HSPMSM）作为现代电机技术的一个重要分支，凭借其高效、高功率密度、高转速和低维护等特性，在多个领域展现出了广阔的应用前景。
发展背景方面，随着全球能源危机的加剧和环境保护意识的提升，高效节能型电机成为了研究的热点。
高速永磁同步电机正是在这一背景下应运而生，它不仅继承了传统永磁同步电机的高效率特性，而且通过提高转速，进一步提升了能量转换效率和功率密度。
新材料、新工艺的不断涌现，也为高速永磁同步电机的设计与制造提供了更多的可能性。
应用领域方面，高速永磁同步电机已被广泛应用于风力发电、新能源汽车、航空航天、高速机床、压缩机等多个领域。
在风力发电中，高速永磁同步电机的高效性能和稳定性为风能的高效利用提供了保障在新能源汽车中，其高功率密度和快速响应特性使得车辆加速更加迅速和平稳在航空航天领域，其高转速和轻量化特点使得其在飞行器的动力系统中占据了重要地位。
高速永磁同步电机毕业设计参考文献
高速永磁同步电机毕业设计参考文献
1.《高速永磁同步电机控制策略研究》陈晓晖，李雪峰，王全军
2. 《高速永磁同步电机的设计与优化》高春燕，徐旭，张凯
3. 《高速永磁同步电机的运动学分析与控制》邱慧，刘晓颖，赵振东
4. 《高速永磁同步电机在高速列车中的应用研究》吴世明，徐金平，张宏伟
5. 《高速永磁同步电机的磁路设计与优化》赵璐璐，刘峰，王玉成
6. 《高速永磁同步电机的电磁场分析与仿真》李春明，陈高峰，曾令财
7. 《高速永磁同步电机的故障诊断与维修》董健，张铁，薛志伟
8. 《高速永磁同步电机的控制器设计与实现》刘磊，张洪波，牛斌
9. 《高速永磁同步电机在新能源驱动中的应用研究》高磊，王海燕，李丽娟
10. 《高速永磁同步电机的噪声与振动控制研究》赵丽娜，陈海波，黄果。
- 1 -。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高速永磁电机设计与运行分析技术摘要：目前，永磁电机广泛应用于生产生活领域，因其自身的一些性能和功能优势，得到业界高度关注。
高速永磁电机是永磁电机中非常重要的一个产品类型，其在电机设计和性能优化等方面具有非常大的发展潜力。
高速永磁电机相比于传统电机，体积更小，功率输出密度更大，同时在功耗、运维等方面都有更好表现。
关键词：高速永磁电机；设计；运行Abstract: at present, permanent magnet motor is widely used in the production and living fields. Because of its own performance and functional advantages, it has been highly concerned by the industry. High speed permanent magnet motor is a very important product type of permanent magnet motor. It has great development potential in motor design and performance optimization. Compared with traditional motor, high-speed permanent magnet motor has smaller volume, higher power output density, and better performance in power consumption, operation and maintenance.Key words: high speed permanent magnet motor; Design; function引言高速电机通常指转速超过10×103r/min或难度系数(转速和功率平方根的乘积)超过1×105的电机。
近年来，随着高频驱动电源、高性能软磁材料、永磁材料的迅猛发展以及高速轴承技术的革新，电机可以实现高速甚至超高速运行。
高速电机的优势显得更加突出：①功率密度大，可有效节约材料，减小体积、节省空间，减轻重量；②转动惯量更小、动态响应更快；③可与负载直接相连，省去了传动装置，可靠性高，提升系统效率。
基于以上优点，高速电机在分布式发电系统、精密加工、飞轮储能、半导体加工等领域具有广泛的应用背景。
目前，针对高温环境下高速永磁电机的分析与研究处于起步阶段，相关理论和设计方法尚未形成完整体系。
于是，本文在结合高温电机与高速永磁电机相关研究成果的基础之上对高温环境下高速永磁电机的设计和分析方法等关键技术展开研究。
主要围绕定、转子拓扑结构设计、材料温度特性分析与选取、转子支撑技术、绕组绝缘技术、转子动力学以及热设计和热管理技术几方面进行了详细的论述和探讨。
以期总结相关规律，为推动高速永磁电机在极端环境下的工程应用提供理论技术支撑和参考。
1高速永磁电机发展情况高速电机转速通常大于10000r/min。
高速旋转时，一般层状转子转子承受不了巨大的离心力。
应采用高强度转子或固体转子的特殊结构；对于永磁电机来说，转子强度问题更为重要，因为冷永磁材料承受不了转子高速旋转引起的拉伸应力。
因此，需要找到更好的材料来设计永磁转子。
永磁电机具有效率、高功率因数和广泛的转速等优点，因此非常受高速应用的欢迎。
该国一些高校已开始研究高速永磁电机，并扩大了永磁电机的种类。
但是，高速永磁电机的研制一般是低功率或中功率的，对甚大功率永磁电机的研究较少。
永磁电机有两种类型:外部转子的永磁电机和内部转子的永磁电机。
外转子永磁电机转子半径较大，一般用于重型机械设备，可靠性相对于内转子较低，最新应用为永磁外转子调速三相同步电机，效率高于异步电机。
内转子永磁电机具有转子半径小、可靠性高的优点，一般是首选的高速电机，内转子高速永磁电机最大功率达到8MW，转速为15000r/min，对于糊永磁电机，必须使用斑点转速最大的永磁电机50万r/min，功率1kW，转子表面线速度260m/s，采用合金保护套。
2高速永磁电机的设计特点因此，为了使该系统长期稳定运行，必须使用低能耗、耐高温的材料，以便尽可能增加转子的强度。
因此，必须使用高度适应性的永磁材料，并使用2极或4极电机转子，因为2级电动机具有较好的机械强度和稳定的结构，但末端线圈的范围较大，线圈的强度增大，从而降低转子的刚度，4级电动机减小因此，使用二级电动机转子既考虑电磁方面又考虑机械方面更为合理。
高速永磁电机在运行过程中有一定损耗，一般选用细轴向长度，定子线圈长度减小，采用环形线圈，用球形柔性磁粉混合粉末将非晶合金粉末与铁芯分离，铁损可有效降低所用的年轮方法(、在一定程度上可以缩短轮缘长度，也可以提高定子的热容，这样定子就可以在电机噪音可以降低的情况下提高电机在正常温度范围内的稳定性。
一般采用0.02mm硅片降低铁耗；此外，集中式线圈简单易行。
3高速永磁电机设计与运行分析3.1储能飞轮电机控制策略大多数惯性矩型电动机都具有最大转矩/电流控制、恒定磁链控制、id=0控制、弱电阻、最大输出功率控制等功能。
该文研究是惯性导航系统的1mw/60mj系统，是一种高速结构，最大限度地利用了磁路不对称线路载荷产生的磁阻力矩。
这意味着d轴电流直接通过转速固定值id=0，q轴执行。
放电时，d轴采用最大转矩/电流控制，q轴采用电流消耗前的电压和电源控制策略，保持直流母线电压恒定，提高性能响应。
对于静电放电的隐式电机模型，其电气方向对应于右轴，采用闭环控制策略，该策略在变速器和待机模式下使用内部转速，id=0。
在放电模式下，方向盘对外部电压和内部电流回路使用多极矢量控制解决方案。
为了降低FESS稳定运行时的功耗，采用了大部分扭矩/电流的安排。
本文研究的节能快速电机属于具有电动右轴(Ld=Lq)的隐藏被动转子结构，可通过公式(3)降低到ITEM=P。
输出转矩仅取决于q轴的电源分量，转矩控制设置为带内和带外时钟控制驱动的加速度和休眠(id=0)。
3.2电机的冷却系统设计高速电机的热损耗密度较大，设计良好的散热系统，降低电机温度是高速电机正常运转的关键技术。
传统的高速永磁电机中采用了机壳水冷的冷却结构，降温效率低。
随着进一步研究，高速永磁电机设计出内外风冷的冷却结构，让空气流过电机内部。
混合通风把定子分为两段，定子中间开设径向风道，冷风从定子中间的径向风道流入，流经定子槽内开设的轴向风道，分为两路，分别吸收转子热量，流经绕组端部，从机壳两侧的出风口流出。
对一台1120kW、18000r/min的高速永磁电机，分析了槽内风冷与机壳水冷相结合的3种冷却结构:混合通风与螺旋水路、轴向通风与螺旋水路以及轴向通风与直槽水路，混合通风是将定子分为两段，从定子中间进风，经过槽内的轴向风道，从机壳两侧出风。
混合通风的冷却效果好于单一轴向通风，螺旋水路和直槽水路的冷却效果相近。
通过对混合风冷和混合通风－水冷系统进行比较分析，混合通风－水冷系统在进出口冷却温差的变化上只在10℃以下，混合风冷进出口温差则为30℃左右。
这说明混合风－水冷系统的冷却效果较好。
对电机的降温起到显著改善作用。
若将水冷中的液体换成其他吸热性优良的冷却物质，例如冷却油。
那么永磁电机转子和保护套的温度将会降得更加迅速。
在实际中，即使混合冷却系统运用在永磁电机上，转子的温度仍远大于定子。
因此，还需寻找散热性更好的永磁材料制作转子，这样永磁电机的工作特性将更加稳定。
3.3单电流传感器采样电流采样通常有两种类型:一种用于精确阻力，另一种用于根据欧洲理论计算电流流。
该方法虽然成本低廉，但电流通过精确电阻流动，导致高温损失，适用于低电流应用。
另一种方法是直接通过霍尔电流传感器获取电压信号。
它测量电流强度和低功耗，并将电流传感器与绕组分开，但代价高昂且范围广泛。
高速电机控制功率增大，必须选择热电机识别电流。
永磁同步电机控制器必须在编码器变换器中确定，电机必须在具有三相电流和附加三相电流的常规中确定，控制器还必须至少具有两个电流传感器。
但是，使用两个或更多电流传感器需要控制单元的a/d转换，这又可能导致额外的硬件接口资源和增加的a/d转换时间。
高速电机控制器采样并通过一个电流传感器(参见表2)、三个功率模块S2、S4和S6在不同的组合状态下(0=关、1=关)移除电流，实际测量电流相位计算在表2中。
表2母线电流传感器实测相电流表3.4高速永磁转子强度有限元分析一般来说，磁圈磁桥内部结构复杂，周期分析计算不影响转子位移桥的平均应力，需要找到合理的载荷计算方法。
通常，永磁转子采用I形结构，如图1所示。
该结构虽然操作和安装简单，相对较好，但由于高速环境中桥梁数量有限，可能会受到强离心力的限制。
有限元法使离心力大于300，000r/min，最大值为1113MPa。
由此产生了增加永磁体上分布“I”结构的永磁体机械强度的可能性。
尽管铁丝网围栏可以有效地提高转子的机械强度，但这并不是最佳结果:根箍筋的数量与绝缘面漏电成正比，与电机扭矩的输出容量成正比，但必须选择合适的筋数量。
因此，文本被分为如图1所示的两个部分。
在图2中，永久磁铁设计中的跳线1和3相交，形成结构对称，但力2与力1和力3完全不同，其中交错跳线1和3L长度、r偏折半径、w1宽度和w2宽度。
虽然结构已经确定，但几何尺寸仍有待研究，因为交错桥的尺寸对旋转和电磁性能有重要影响。
文中使用的有限元和微分分析方法可以有效地分析机械性能与电磁性能之间的关系，各个参数对性能有影响。
图1“一”字形结构永磁式转子图2两段永磁转子结构3.5电机的冷却系统设计高速电机的热损耗密度较大，设计良好的散热系统，降低电机温度是高速电机正常运转的关键技术。
传统的高速永磁电机中采用了机壳水冷的冷却结构，降温效率低。
随着进一步研究，高速永磁电机设计出内外风冷的冷却结构，让空气流过电机内部。
混合通风把定子分为两段，定子中间开设径向风道，冷风从定子中间的径向风道流入，流经定子槽内开设的轴向风道，分为两路，分别吸收转子热量，流经绕组端部，从机壳两侧的出风口流出，如图3所示。
图3混合通风系统3.6转子拓扑结构设计由于硅片的强度和磁悬浮列车的强度，集成转子机构薄弱，不适合高速运行。
早期集成转子结构通常通过固定旋转或增大桥面尺寸来提高高速旋转中的机械可靠性，例如韩国8千瓦三星电子设计，转速40x103R/min，由多级转子结构的多个段组成，满足机械性能要求。
Lutz技术大学比较了两个高温内部转子结构。
南方和南方大学发展了分支快速磁转子结构。
本文研究了集成永磁体的数量和尺寸对转子强度和电磁性能的影响。