3kW15万转高速电机设计

一台3kW、15k RPM超高速永磁电

机的设计

Yang Hu，Thomas Wu，L.Chow，Y.Bai，W.Wu.

摘要：本文讨论了设计一个超高速永磁同步电机的步骤，并提出了一台3kW、150 000rpm的永磁同步电机的径向设计方案。借由超高速这一特点，这台电机的功率密度可以达到2.5kW/kg之高（包括外壳重量），同时效率可达97%。超高速带来的挑战主要包括电磁设计和机械设计两方面。本文给出了适当的定子叠片设计，包括口径、外径、槽型、轭部厚度以及气隙等方面。在高频情况下，临近效应和趋肤效应变得不容忽视，本文在设计中对这些效应都进行了分析并采用了多股绞线。设计采用双层分布绕组代替同心绕组来降低谐波反电势。转子结构被设计得足以承受高速旋转带来的强大机械应力。本文的设计方案通过ANSYS Maxwell软件进行了优化，其仿真结果验证了电机的性能。为配合这台高速电机，一款高速驱动的控制器也已研制成功。

关键词：永磁电机；转子；定子铁心；同步电机；导线

0 引言

近年来，在工业部门中对电机的高速、高效的要求与日俱增。相比于传统电机，相同的功率输出时高速电机拥有更小的外形体积和更轻巧的质量，因而高速电机利于在相同或者更小的体积下输出更大的功率。高速及高功率密度的特点使得高速电机在很多领域都倍受青睐，如离心式压缩机、真空泵、飞轮储能系统、机床等。目前，针对不同应用场合的不同功率等级的高速电机都有研究[1][2][3][4]，但还未见有转速在100000转每分钟以上的超高速电机的设计方案。相较于感应电机而言，永磁同步电机拥有更高的功率密度和效率。同时，相较于

电励磁电机而言，永磁电机的转子不需要外部激励并且在结构上更为简单易于制造和维护。由于永磁同步电机的这些特点，我们自然会选择它来实现超高速电机这一设计想法。

超高速永磁电机的设计是一项十分具有挑战性的任务，它的挑战性主要体现在它的电磁设计和机械设计这两方面中。在高速运行的情况下，电机的各个部分都会因较大的离心力而产生很大的机械应力，不同于传统的低速运行的电机，这些方面的问题在高速电机的设计中都是需要被考虑到的[5]。除此之外，风摩损耗以及轴承的损耗在总损耗中所占的比例相比于传统电机而言也更大，这都是由于高速运行而出现的新问题。同时，高频的电场和磁场会引起更大的涡流损耗和铁心损耗，这必须要被考虑到。在高速电机中，邻近效应和趋肤效应会变得十分显著，因而绕组设计也同时需要进行优化以减小相关的损耗。总而言之，由于高速电机相比于传统电机而言在运行速度上的显著特点，谨慎地对待高速电机的建模、设计过程中的每一步都是十分有必要的。

1 电机结构

对于电机而言，基于不同的应用场合，永磁同步电机有不同的结构，为具体的设计要求而选择一个合适的电机结构是电机设计时首当其冲并且十分重要的任务。值得说明的是，电机结构的选择方案太少会使得想要提高电机性能的想法有时会显得捉襟见肘。通常，我们会从以下几个方面来对电机设计的方案进行分析和选择。

a.磁场定向

永磁同步电机磁场定向的方案一般有两种：径向磁通定向结构和轴向磁通定向结构。尽管轴向磁通结构拥有更为简单的结构和更高的转矩[6]，但在高速场合中反倒是径向磁通的结构更为常用。轴向磁通结构的电机更倾向于“平板”形状，意味着电机的转子外径会更大，从而导致转子外径的切线速度更大，因而相

比于径向磁通结构，轴向磁通结构会带来更大的机械应力，这对于材料的性能而言是个很大的挑战，因而我们不常采用轴向磁通的结构去设计一款电机。综上所述，本文所采用的电机结构为径向磁通定向的结构，以便于减轻材料上的机械应力，便于实现电机的制造。

b.定子槽

定子铁心可以开槽也可以不开槽。增加开槽面积可以让我们放置更多的导体，这样可以减少欧姆损耗。但是，如果电机尺寸是一定的，那么增加槽面积就意味着减少齿的面积，使得齿部结构变得脆弱，这些脆弱的部分容易在高强度的机械应力下发生变形甚至破坏，这是我们不想见到的。目前，无槽结构的高速电机[7]已经有相关的研究并且被建议运用于高速场合，这一种结构完全消除了齿与槽的概念。无槽结构相比于有槽结构有一些显著的优势[8]，比如气隙磁场更为平滑、没有齿部饱和现象、无齿槽转矩等。但目前无槽结构的气隙磁通密度和功率密度都远小于有槽结构，因而并没有广泛为大家所采用。综上所述，在我们的这次超高速电机的设计中，电机将采用开槽的定子结构以便于达到更高的功率密度和效率。

c.转子结构

常用的两种转子结构是表贴式结构和内嵌式结构。当然，在本文所提议的高速电机设计中，两者都是可以使用的。

考虑在15万转每分钟的转速下的强大离心力是很有必要的。表贴式结构的一个很大的问题就在于永磁体很难在这样高的转速下仍然保持在转子表面，它很容易在强大的离心力的作用下与转子表面分离。但同时，内嵌式结构中比较薄的支撑结构和肋部结构也很难承受在如此高的运行速度下所产生的强大的机械应力[5]。

在我们的设计方案中，永磁体被放置在一个空心钛合金轴承内，如图1所示。

永磁体与转轴之间有充分的过盈配合，这样可以确保永磁体上的预紧力，这会有助于减小由很大的离心力带来的机械应力。

图1 转子结构

d.永磁材料

钕铁硼（NdFeB）和钐钴（SmCo）是永磁电机中最常用的永磁材料。钕铁硼有更高的能量密度，而钐钴可以在更宽的温度区间内工作。鉴于我们的设计并不要求在高温下运行，所以最终选择钕铁硼作为永磁材料以实现更大的功率密度。

2 电机设计

a.初步确定定子尺寸

定子尺寸的确定是整个设计的基础，电机的气隙、转子以及槽型的设计都是基于定子尺寸进行的。公式（1）用于计算定子内径以及长度。

其中D为定子内径，L为定子铁心长度，τm为额定机械转矩，V0是一个常系数。

总的来说，定子尺寸取决于额定功率、转速以及冷却条件。常数V0取决于冷却方式和电机的功率等级。V0越大，则电机的体积越大，但电机的热应力会更小。在本次设计方案中，我们取V0=1.2×10−4m2/N(10in3/fl∙lb)，这一取值采取风冷方式电机的典型值。

当V0确定后，我们就能选择合适的长度和直径的比例了。在超高速的应用场合，我们需要避免较大的转子外径，因为转子外径过大会带来转子外径切线速度过高的问题，在前面已经提及，过高的切线速度将会是对转子材料的严峻考验。考虑到上述特点，定子内径的尺寸也要适当才行。同时，定子长度也需要加以控制，若转轴过长，轴承的应力将会成为一个很突出问题。但是过小的定子内径也会使得电机的装配工作十分困难，尤其是绕组的装配。考虑到上述的种种因素之后，结合实际的设计与生产的经验，我们取D与L相等，这使我们在诸多限制因素下取得了一个比较好的

平衡效果。

b.定子铁心设计

定子铁心的设计主要包

括轭部厚度的设计和槽距的

设计，设计目标是使得铁心内

有尽可能大的磁通密度。欠妥

的设计可能会使铁心内部的

磁通分布不均匀，导致一部分

铁心饱和的同时一部分铁心

却工作在很低的磁通密度下，

这将造成铁心的浪费和成本图2 一对极下的磁通密度曲线和磁力线