高速永磁电机转子涡流损耗分析

• 28•永磁体在高速旋转下，难以承受巨大的离心力，必须对永磁体采取保护措施，目前最常用的两种保护措施是碳纤维捆扎永磁体和永磁体外加合金保护套，同时保护措施又会增加空间和时间谐波在转子中的涡流损耗，给高速永磁电机散热带来较大的困难，造成电机转子温升过高、永磁体发生不可逆退磁的后果，针对以上问题，本文基于一台高速永磁电机，把保护套分为两层，设计了5种方案，采用2D时步有限元法进行了比较与分析，并研究了铜屏蔽层厚度对两种保护措施下转子涡流损耗的影响。

1 引言高速电机具有效率高、功率密度大、体积小、特别是可以省去增速箱等诸多优点，已经成为近年来的国内外研究热点，国外对高速电机的研究较早，功率范围已经到达几兆瓦甚至几十兆瓦，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（周凤争，高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的研究：浙江大学，2008；周凤争，沈建新，王凯，转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响：浙江大学学报:工学版，2008；周凤争，田占元，祝长生，等.飞轮储能用高速永磁电机转子的涡流损耗：浙江大学学报:工学版，2011）。

永磁电机采用烧结钕铁硼永磁材料，在高速旋转情况下，永磁体难以承受巨大离心力，必须对永磁体采取保护措施，目前最常用的保护措施一种是采用碳纤维绑扎永磁体，另外一种是在永磁体外面加一高强度非导磁合金保护套（Sh-uangxia Niu，S.L.Ho，W.N.Fu，et al.Eddy current reduction in high-speed machines and eddy current loss analysis with multislice time-stepping finite-element method：IEEE Trans-actions on Magnetics，2012；Etemadrezaei M，Wolmarans J J，Polinder H，et al.Precise calculation and optimization of rotor eddy cur-rent losses in high speed permanent magnet ma-chine：International Conference on Electrical Machines，2012；沈建新，郝鹤，袁承，高速永磁无刷电机转子护套周向开槽的有限元高速永磁电机转子涡流损耗分析杜光辉西安中车永电捷力风能有限公司 中车永济电机有限公司 黄 娜 西安工分析：中国电机工程学报，2012）。

合金保护措施会在保护套中产生较大的涡流损耗，碳纤维保护套的传热特性极其差，两种保护措施都给电机散热带来巨大的挑战，而永磁体在承受高温的情况下会发生不可逆退磁，特别是对于大功率高速永磁电机，分析和减小转子涡流损耗成为关键技术之一。

本文对一台高速永磁电机转子涡流损耗分别设计了5种方案，对5种方案的转子涡流损耗进行了比较，同时分析了铜屏蔽层厚度对转子涡流损耗的影响，为高速永磁电机的设计提供了依据。

2 高速永磁电机转子结构高速电机一般设计为2极或者4极，2极电机的优点是转子永磁体可采用整体结构，4极结构可以有效的降低绕组端部，从而降低转子长度，改善转子的动力学特性。

本文对一台1MW，18000r/min的高速永磁电机分别设计了4极的转子结构，电机整体结构剖面图如图1所示，高速永磁电机的主要尺寸如表1所示。

图1 高速电机转子结构表1 电机具体参数参数数值参数数值额定电压/V 3000定子外径/mm 550额定电流/A 225定子内径/mm 190定子槽数27永磁体外径/mm 170气隙/mm3永磁体厚度/mm173 转子涡流损耗分析3.1 不同方案的转子涡流损耗分析在以上满足转子强度分析的基础上，对4极高速永磁电机分别在不同保护套措施下• 29•的转子涡流损耗进行分析。

本文把保护套分为外层护套和内层护套，其中保护套内层厚度为1mm，如图2所示。

对涡流损耗的分析分为5种方案，如表2所示，方案中合金保护套的电导率为6.1E5s/m，碳纤维电导率为3E4s/m，永磁体电导率为6.29E5s/m，铜片的电导率为5.6E7s/m。

利用2D时步有限元法对电机负载时的涡流损耗进行计算和分析，由于时间和空间谐波很难透入到电机转子铁心中，转子铁心涡流损耗很小，可以忽略，只考虑永磁体和保护套中的涡流损耗，计算结果如图3所示。

图2 保护套分为两层时转子结构表2 涡流损耗设计方案外层护套材料内层护套材料极弧系数方案1合金钢合金钢1方案2合金钢铜片1方案3碳纤维碳纤维1方案4碳纤维铜片1方案5碳纤维碳纤维0.75(a)方案3涡流损耗(b)方案3电流波形(c)不同方案转子涡流损耗图3 不同方案转子涡流损耗从图3可以看出，方案1和方案2采用合金保护套，转子总涡流损耗高达35kW和27kW，约为碳纤维保护套的9倍；方案3与方案4采用碳纤维保护套，转子总涡流损耗相接近，约为3300W，但方案3中涡流损耗主要集中在护套和永磁体中，方案4在碳纤维保护套内层加入铜屏蔽层，涡流损耗主要集中在内外层护套中，永磁体涡流损耗却很小；方案5电机的极弧系数为0.75，总涡流损耗为5种方案中最小，与方案3极弧系数为1时相比，总涡流损耗减小了约200W，护套中的涡流损耗有所增加，永磁体的涡流损耗减小了约400W。

可见对于大功率的高速永磁电机，合金护套的涡流损耗远远大于碳纤维保护套，在进行转子结构设计时，应采用碳纤维保护套，且在满足电磁设计的基础上选择较小的极弧系数。

• 30•表3 铜屏蔽层厚度对合金保护套转子涡流损耗的影响铜屏蔽层厚度/mm 涡流损耗/W外层护套内层护套永磁体总0342000638348380.531875154814334370.8311111562123268512752015878291151.22633116325279681.52553416713272082251601721126882表4 铜屏蔽层厚度对碳纤维保护套转子涡流损耗的影响铜屏蔽层厚度/mm 涡流损耗/W外层护套内层护套永磁体总021420109232340.5189920363239670.8173817572635211156217292033111.2151718141433451.51468217083646213732856442333.2 铜屏蔽层厚度对转子涡流损耗的影响在保护套内层加入一定厚度的铜屏蔽层可以有效的降低转子涡流损耗，本文在方案2和方案4的基础上，改变内层护套即铜屏蔽层的厚度，分析铜屏蔽层厚度对高速永磁电机转子涡流损耗的影响。

计算结果如表3和表4所示。

从表3可以看出，对于合金保护套，随着铜屏蔽环厚度的增加，总涡流损耗和保护套涡流损耗逐渐减小，铜片涡流损耗略有增加，但当铜屏蔽环厚度为2mm时，转子总涡流损耗仍高达26.88kW，远远大于碳纤维护套的总涡流损耗。

从表4可以看出，当保护套内层加入铜屏蔽层时，随着屏蔽环厚度的增加，总涡流损耗和铜屏蔽层涡流损耗先减小后增加，永磁体涡流损耗逐渐减小，当屏蔽环厚度为1mm时，总涡流损耗达到最小，当仍大于没有屏蔽环时的转子总损耗。

可见对于大功率的高速永磁电机，保护套较厚，在保护套内层加入铜屏蔽层来抑制转子涡流损耗效果很小。

4 结论通过对高速永磁电机转子涡流损耗的综合分析，可以得到，对于大功率高速永磁电机，合金护套会产生过大的涡流损耗，已经不能满足设计要求。

对于合金护套，在保护套内层加入铜屏蔽层，可以有效的降低转子涡流损耗，但对于碳纤维护套，在保护套内层加入铜屏蔽层，虽然可以降低永磁体上的涡流损耗，但转子的总损耗却只有很小的变化，因此对于碳纤维护套，在保护套内层加入铜屏蔽层已经不能对降低涡流损耗起到显著的作用。

资助项目：陕西省自然科学基础研究计划资助项目（项目批准号：2018JQ5009）；陕西省教育厅专项科研计划项目（项目号：18JK0398）。

作者简介：杜光辉（1987—），男，河南驻马店人，博士，研究方向为特种电机设计与分析。

黄娜（1987—），女，陕西西安人，硕士，工程师，研究方向为特种电机设计与分析。

宋晓茹（1978—），女，陕西西安人，博士，副教授，研究方向为电机控制。

（上接第27页）强砌块抗冲刷和防雨水入渗方面的研究较少。

随着我国经济的快速发展，经济发展模式的日益转变，基础设施的粗放建设、边坡防护结构的使用将越来越多。

在国外，各种类型的护坡砌块被用于护坡和水土保持，以提高园林效果。

相信砌块护坡结构将在未来得到越来越多的应用。

综上所述，尽管新型护坡砌块在国内处于初始阶段，但在未来应用肯定会更加广泛。

4 输变电设备集中区域边坡灾害防治方向在边坡病害的防治中，取得了大量成功的经验，也有过经验教训，针对塔基边坡灾害防治的发展过程，现提出以下发展方向。

4.1 坚持“地质灾害以防为主”的原则江门地区电塔边坡灾害多发生在花岗岩地质区，残积砾质粘性土厚，抗冲刷能力差，属地质灾害易发区。

在线路施工和运维中，应加强水土保持工作，对地灾以防为主、防治结合，对裸露的基面应及时复绿，对破损的水沟应及时修复，为输变电设备的长期安全运行奠定基础。

4.2 开发透水混凝土护坡砌块边坡新技术透水混凝土护坡砌块由于其疏松透水的结构，导致其抗压强度和抗剪强度要低于普通混凝土，未来的发展方向应致力于在保证其透水性能的条件下，提高抗压强度和抗剪强度，增加其耐久性能，又或者在保证其抗剪强度和抗压强度的条件下，提高其孔隙率，使排水效率增强。

4.3 建立输变电设备集中区域边坡病害的预测预报系统在研究出降雨与塔基边坡病害关系，建产完善的监测网，形成塔基边坡病害的预测预报系统，实现塔基边坡病害的自动预报和预警，使塔基边坡病害防治及线路运维工作提升到新的水平。

参考：王伟，施忠然，王荣，深圳地区降雨引发塔基边坡灾害及防治：电力勘测设计，2015；韩建国，透水混凝土性能和应用现状综述：科技导航，2014.；张春晖，石威风，广东省江门市地质灾害分布特征及发展趋势：西部探矿工程，2016；宋文杰，何香建，刘军，河渠边坡植生型透水混凝土防护技术的研究及应用：湖南水利水电，2017；先端建设技术中心（日本），植生型透水混凝土河川护岸工法手册：山海堂，2001。

依托项目：输变电设备集中区域光感边坡病害状态监测技术研究，项目编号：GDKJXM20162458（030700KK52160031），项目承担单位：广东电网有限责任公司江门供电局。

作者简介：杨玺（1986—），男，彝族，贵州六盘水人，大学本科，广东电网江门供电局高级工程师，主要从事电网生产技术方面的工作。

李月明（1994—），男，硕士研究生，现就读于东北电力大学建筑与土木工程专业。