高速永磁发电机的设计与电磁性能分析
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形绕组串连而成，环形绕组的下边安放在定子铁心
高速永磁电机的额定转速为 60 000 r/min，转 子表面线速度达到 200 m/s。永磁转子选用烧结钕铁 硼，是一种类似于粉末冶金的永磁材料，能承受较
的 6 个槽中，而绕组的上边分别安放在定子轭部的 24 个槽中。该种连接方式相当于将传统 2 极电机绕 组轴向端部长转移到了定子铁心轭部，从而大大减
第 28 卷 第 20 期 2008 年 7 月 15 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.28 No.20 Jul. 15, 2008 ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 105
文章编号：0258-8013 (2008) 20-0105-06 中图分类号：TM 355 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40
高速电机的主要特点有 2 个：①转子的高速旋
design requirement.
转，转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速
KEY WORDS: high speed permanent magnet machine; field-circuit coupled method; loss calculation; temperature field analysis
定子采用环形绕组，每相绕组由 a1 和 a2 两个环
−500 0.000
0.001
0.002
t/s
0.003
图 3 定子三相绕组空载电势波形
Fig. 3 Phase EMF of stator windings at no load
第 20 期
王继强等： 高速永磁发电机的设计与电磁性能分析
107
所示。高速电机在 60 000 r/min 负载运行时的电磁
500
量较大，护套和永磁体装配困难，需采用热套工艺。 为了避免高温加热使永磁体产生不可逆失磁，本设
ea
250
eb ec
e/ V
计采用转子加工装配后再进行整体充磁的新工艺。
0
1.2 定子结构设计
随着转速的增高，定子绕组电流和铁心中磁通
−250
交变频率增高，电机单位体积内的损耗增加，高速 电机定子设计需要特别考虑绕组和铁心的高频损耗 和散热问题。本设计所采用的定子结构如图 2 所示。
永磁电机空载和负载特性，计算了电机的电磁与机 械损耗，最后利用有限元法计算了高速电机内的温 度场分布。
106
中国电机工程学报
第 28 卷
1 高速永磁发电机的定转子结构设计
1.1 转子结构
a2 绕组 下层边
a1 绕组下层边
高速电机一般采用 2 极或 4 极结构。2 极电机 便于永磁体采用整体结构，以保证永磁转子机械和 电磁性能的对称性；同时在相同速度下 2 极电机定
2 高速永磁发电机的空载与负载特性
基于场路耦合有限元法，分析计算了高速永磁 发电机的空载与负载特性。建立高速电机的场路耦 合模型时，把图 2 中绕组 a1 和 a2 的下层边定义为电 枢绕组；而把 a1 和 a2 的上层边定义为绕组端部。 按照同样的方式定义了 B 相绕组和 C 相绕组。
当电机在额定转速 60 000 r/min 运行时，采用 场路耦合有限元法计算的定子绕组空载相电势波 形如图 3 所示。
坛 cn 强度合金钢护套保护永磁体。
论 r. 本设计采用的高速永磁电机转子结构如图 1 所 术 to 示。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，
o 护套和永磁体之间采用过盈配合，即对静态永磁体
技 mm 施加一定预压力，以抵消高速旋转时离心力产生的
机 .i 拉应力，使永磁体在转子高速旋转时始终承受适当
WANG Ji-qiang1, WANG Feng-xiang2, KONG Xiao-guang2
(1. School of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, Liaoning Province, China; 2. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, Liaoning Province, China)
度可达 200 m/s 以上；②定子绕组电流和铁心中磁 通的高频率，一般在 1 000 Hz 以上[8]。这些特点决 定了高速电机的设计与传统电机设计有所不同。基 于磁路分析的传统设计方法难以满足高速电机的 设计要求，利用场路耦合方法可以准确地分析电机 内的电磁场[9-13]；而有限元方法也越来越广泛的用 于电机内的温度场计算[14-17]。
a2 绕组 上层边
a1 绕组 上层边
子铁心磁场和绕组电流的频率仅为 4 极电机的一
半，减少极数有利于减小电机的铁耗和铜耗。从电
冷却通道
铁心
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，因此本设计中高 速永磁电机采用 2 极结构。
图 2 高速发电机定子结构 Fig. 2 Stator structure of the high speed generator
0.001
0.002
百度文库
t/s
图 6 负载电磁转矩
转矩如图 6 所示，相应的电磁功率约为 78 kW。
200
ia
ib
ic
150
i/A
0
正系数。 负载运行某时刻高速电机内的等磁位线分布
如图 7 所示，采用场路耦合有限元法计算负载运行 时高速电机铁心各部分的磁通密度及其损耗，然后 相加求得定子铁心铁耗，约为 600 W，如图 8 所示。
−100
−200 0.000
摘要：由于结构简单、高效率和高功率密度，永磁转子成 为高速电机的首选结构，然而转子的高速旋转和定子的高 频供电，对高速永磁电机的电磁与机械设计提出了新的要 求。该文在分析高速永磁电机设计特点的基础上，对一台 60 000 r/min、75 kW 的高速永磁同步发电机进行了电磁与 结构设计，基于场路耦合有限元法分析了高速永磁同步发 电机的空载和负载特性，计算了负载运行时电机的电磁与
高速永磁发电机的设计与电磁性能分析
王继强 1，王凤翔 2，孔晓光 2
(1．辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁省 葫芦岛市 125105； 2．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁省 沈阳市 110023)
Design and Analysis of Electromagnetic Properties for High Speed PM Generator
becomes the first candidate of rotor structure for high speed
n machines. However, the high rotating speed of the rotor and 坛 c high frequency of the stator currents bring new requirements 论 r. for the high speed PM machine design. In this paper, after 术 to analyzing the design features of high speed PM machine, the o mechanical and electromagnetic design of a 60 000 r/min, 技 mm 75 kW high speed PM generator was accomplished. Based on 机 i field-circuit coupled finite element method, the no load and 电 w. full load characteristics of the high speed PM synchronous AC ww generator were analyzed. The electromagnetic and - / mechanical losses of the generator at rated load were DC :/ calculated, and the temperature field distributions of the PM p generator were analyzed. The simulation results show the tt reasonability of the high speed machine design. The h performances of the high speed PM generator can meet the
C电 ww 的压应力。永磁体与护套之间的过盈量需要根据永
A w 磁转子结构、运行速度范围和材料特性进行转子强
C- // 度分析，计算高速旋转时永磁体和护套的应力和应
D p: 变后方可确定。
htt 永磁体
护套
轴
间可用作定子的通风冷却通道，增加了定子表面的 散热面积，通风气流不但能够冷却定子铁心，而且 能够直接冷却定子绕组，从而提高了定子的冷却散 热效率。
大压应力(1 000 MPa)，但不能承受大的拉应力，其 少了高速电机转子的轴向长度，提高了电机转子的
抗拉强度一般低于抗压强度的十分之一(<80 MPa)。 刚度。同时，定子轭部 24 个槽安放绕组的剩余空
如果没有保护措施，永磁体将无法承受转子高速旋
转时产生的巨大离心力[18]。因此需要采用非导磁高
当相负载电阻为 2.2 Ω时，定子绕组负载电流
如图 4 所示。由于负载电流电枢反应磁场的去磁作
图 1 高速发电机转子结构 Fig. 1 Rotor structure of high speed PM generator
由于非导磁合金钢护套与永磁体之间的过盈
用，使电机负载时的绕组电势比空载时低得多，此 时绕组和端部上的电势分别为 340 和 35 V，如图 5
要求。
关键词：高速永磁电机；场路耦合；损耗计算；温度场分析
0 引言
由于转速高和功率密度大，高速电机的几何尺 寸远小于同功率的中低速电机，成为电机领域的研 究热点，其应用领域也越来越广泛，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[1-3]。永磁电机由于其 结构简单、力能密度高和无励磁损耗等优点，最适 合用于高速电机[4-7]。
e/ V
800
−200
n −400 坛 .c 0.000
0.001
0.002
t/s
0.003
Ploss/W
论 r 图 5 负载时电枢绕组和端部的电势
术 to Fig. 5 EMF of windings at full load
o 0
电机技w.imm −10
DC-AC ://ww −20 http 0.000
0.001
0.002
t/s
0.003
图 4 负载运行时的三相电流
Fig. 4 Winding currents at full load
400
ec1
200 ea1 eb1 0
ea2 eb2 ec2
图 7 高速永磁电机内的等磁位线分布 Fig. 7 Magnetic flux lines distribution in the high speed machine at full load
本文对一台微型燃气轮机驱动用于分布式供 电系统的 60 000 r/min、75 kW 的高速永磁发电机进 行了结构设计，然后基于场路耦合方法，分析高速
基金项目：国家自然科学基金项目(50437010)。 Project Supported by the National Natural Science Foundation of China (50437010).
ABSTRACT: Due to simple structure, high efficiency and
机械损耗，并进行了电机的温升场分析。计算的结果表明，
high power density, the permanent magnet (PM) rotor
高速永磁发电机的设计合理，电机性能能够满足设计
高速永磁电机的额定转速为 60 000 r/min，转 子表面线速度达到 200 m/s。永磁转子选用烧结钕铁 硼，是一种类似于粉末冶金的永磁材料，能承受较
的 6 个槽中，而绕组的上边分别安放在定子轭部的 24 个槽中。该种连接方式相当于将传统 2 极电机绕 组轴向端部长转移到了定子铁心轭部，从而大大减
第 28 卷 第 20 期 2008 年 7 月 15 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.28 No.20 Jul. 15, 2008 ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 105
文章编号：0258-8013 (2008) 20-0105-06 中图分类号：TM 355 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40
高速电机的主要特点有 2 个：①转子的高速旋
design requirement.
转，转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速
KEY WORDS: high speed permanent magnet machine; field-circuit coupled method; loss calculation; temperature field analysis
定子采用环形绕组，每相绕组由 a1 和 a2 两个环
−500 0.000
0.001
0.002
t/s
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图 3 定子三相绕组空载电势波形
Fig. 3 Phase EMF of stator windings at no load
第 20 期
王继强等： 高速永磁发电机的设计与电磁性能分析
107
所示。高速电机在 60 000 r/min 负载运行时的电磁
500
量较大，护套和永磁体装配困难，需采用热套工艺。 为了避免高温加热使永磁体产生不可逆失磁，本设
ea
250
eb ec
e/ V
计采用转子加工装配后再进行整体充磁的新工艺。
0
1.2 定子结构设计
随着转速的增高，定子绕组电流和铁心中磁通
−250
交变频率增高，电机单位体积内的损耗增加，高速 电机定子设计需要特别考虑绕组和铁心的高频损耗 和散热问题。本设计所采用的定子结构如图 2 所示。
永磁电机空载和负载特性，计算了电机的电磁与机 械损耗，最后利用有限元法计算了高速电机内的温 度场分布。
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中国电机工程学报
第 28 卷
1 高速永磁发电机的定转子结构设计
1.1 转子结构
a2 绕组 下层边
a1 绕组下层边
高速电机一般采用 2 极或 4 极结构。2 极电机 便于永磁体采用整体结构，以保证永磁转子机械和 电磁性能的对称性；同时在相同速度下 2 极电机定
2 高速永磁发电机的空载与负载特性
基于场路耦合有限元法，分析计算了高速永磁 发电机的空载与负载特性。建立高速电机的场路耦 合模型时，把图 2 中绕组 a1 和 a2 的下层边定义为电 枢绕组；而把 a1 和 a2 的上层边定义为绕组端部。 按照同样的方式定义了 B 相绕组和 C 相绕组。
当电机在额定转速 60 000 r/min 运行时，采用 场路耦合有限元法计算的定子绕组空载相电势波 形如图 3 所示。
坛 cn 强度合金钢护套保护永磁体。
论 r. 本设计采用的高速永磁电机转子结构如图 1 所 术 to 示。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，
o 护套和永磁体之间采用过盈配合，即对静态永磁体
技 mm 施加一定预压力，以抵消高速旋转时离心力产生的
机 .i 拉应力，使永磁体在转子高速旋转时始终承受适当
WANG Ji-qiang1, WANG Feng-xiang2, KONG Xiao-guang2
(1. School of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, Liaoning Province, China; 2. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, Liaoning Province, China)
度可达 200 m/s 以上；②定子绕组电流和铁心中磁 通的高频率，一般在 1 000 Hz 以上[8]。这些特点决 定了高速电机的设计与传统电机设计有所不同。基 于磁路分析的传统设计方法难以满足高速电机的 设计要求，利用场路耦合方法可以准确地分析电机 内的电磁场[9-13]；而有限元方法也越来越广泛的用 于电机内的温度场计算[14-17]。
a2 绕组 上层边
a1 绕组 上层边
子铁心磁场和绕组电流的频率仅为 4 极电机的一
半，减少极数有利于减小电机的铁耗和铜耗。从电
冷却通道
铁心
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，因此本设计中高 速永磁电机采用 2 极结构。
图 2 高速发电机定子结构 Fig. 2 Stator structure of the high speed generator
0.001
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图 6 负载电磁转矩
转矩如图 6 所示，相应的电磁功率约为 78 kW。
200
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正系数。 负载运行某时刻高速电机内的等磁位线分布
如图 7 所示，采用场路耦合有限元法计算负载运行 时高速电机铁心各部分的磁通密度及其损耗，然后 相加求得定子铁心铁耗，约为 600 W，如图 8 所示。
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摘要：由于结构简单、高效率和高功率密度，永磁转子成 为高速电机的首选结构，然而转子的高速旋转和定子的高 频供电，对高速永磁电机的电磁与机械设计提出了新的要 求。该文在分析高速永磁电机设计特点的基础上，对一台 60 000 r/min、75 kW 的高速永磁同步发电机进行了电磁与 结构设计，基于场路耦合有限元法分析了高速永磁同步发 电机的空载和负载特性，计算了负载运行时电机的电磁与
高速永磁发电机的设计与电磁性能分析
王继强 1，王凤翔 2，孔晓光 2
(1．辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁省 葫芦岛市 125105； 2．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁省 沈阳市 110023)
Design and Analysis of Electromagnetic Properties for High Speed PM Generator
becomes the first candidate of rotor structure for high speed
n machines. However, the high rotating speed of the rotor and 坛 c high frequency of the stator currents bring new requirements 论 r. for the high speed PM machine design. In this paper, after 术 to analyzing the design features of high speed PM machine, the o mechanical and electromagnetic design of a 60 000 r/min, 技 mm 75 kW high speed PM generator was accomplished. Based on 机 i field-circuit coupled finite element method, the no load and 电 w. full load characteristics of the high speed PM synchronous AC ww generator were analyzed. The electromagnetic and - / mechanical losses of the generator at rated load were DC :/ calculated, and the temperature field distributions of the PM p generator were analyzed. The simulation results show the tt reasonability of the high speed machine design. The h performances of the high speed PM generator can meet the
C电 ww 的压应力。永磁体与护套之间的过盈量需要根据永
A w 磁转子结构、运行速度范围和材料特性进行转子强
C- // 度分析，计算高速旋转时永磁体和护套的应力和应
D p: 变后方可确定。
htt 永磁体
护套
轴
间可用作定子的通风冷却通道，增加了定子表面的 散热面积，通风气流不但能够冷却定子铁心，而且 能够直接冷却定子绕组，从而提高了定子的冷却散 热效率。
大压应力(1 000 MPa)，但不能承受大的拉应力，其 少了高速电机转子的轴向长度，提高了电机转子的
抗拉强度一般低于抗压强度的十分之一(<80 MPa)。 刚度。同时，定子轭部 24 个槽安放绕组的剩余空
如果没有保护措施，永磁体将无法承受转子高速旋
转时产生的巨大离心力[18]。因此需要采用非导磁高
当相负载电阻为 2.2 Ω时，定子绕组负载电流
如图 4 所示。由于负载电流电枢反应磁场的去磁作
图 1 高速发电机转子结构 Fig. 1 Rotor structure of high speed PM generator
由于非导磁合金钢护套与永磁体之间的过盈
用，使电机负载时的绕组电势比空载时低得多，此 时绕组和端部上的电势分别为 340 和 35 V，如图 5
要求。
关键词：高速永磁电机；场路耦合；损耗计算；温度场分析
0 引言
由于转速高和功率密度大，高速电机的几何尺 寸远小于同功率的中低速电机，成为电机领域的研 究热点，其应用领域也越来越广泛，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[1-3]。永磁电机由于其 结构简单、力能密度高和无励磁损耗等优点，最适 合用于高速电机[4-7]。
e/ V
800
−200
n −400 坛 .c 0.000
0.001
0.002
t/s
0.003
Ploss/W
论 r 图 5 负载时电枢绕组和端部的电势
术 to Fig. 5 EMF of windings at full load
o 0
电机技w.imm −10
DC-AC ://ww −20 http 0.000
0.001
0.002
t/s
0.003
图 4 负载运行时的三相电流
Fig. 4 Winding currents at full load
400
ec1
200 ea1 eb1 0
ea2 eb2 ec2
图 7 高速永磁电机内的等磁位线分布 Fig. 7 Magnetic flux lines distribution in the high speed machine at full load
本文对一台微型燃气轮机驱动用于分布式供 电系统的 60 000 r/min、75 kW 的高速永磁发电机进 行了结构设计，然后基于场路耦合方法，分析高速
基金项目：国家自然科学基金项目(50437010)。 Project Supported by the National Natural Science Foundation of China (50437010).
ABSTRACT: Due to simple structure, high efficiency and
机械损耗，并进行了电机的温升场分析。计算的结果表明，
high power density, the permanent magnet (PM) rotor
高速永磁发电机的设计合理，电机性能能够满足设计