大功率高速永磁同步电机的设计与分析
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 。
永磁同步电机的电磁方案设计
永磁同步电机的电磁方案设计永磁同步电机是一种应用广泛的电机类型，具有高效率、高功率因数、高起动转矩和良好的运行性能等优点。
在设计永磁同步电机的电磁方案时，需要考虑磁场分布、磁通密度、转子结构等因素，以实现电机的高效、稳定运行。
磁场分布是永磁同步电机设计的关键。
通过合理设计磁场分布，可以提高电机的效率和转矩密度。
在永磁同步电机中，通常使用内置磁体的方式来产生磁场。
磁体的磁场分布应该尽可能均匀，以提高电机的转矩密度。
同时，还需要考虑磁体的磁通量损耗，通过合理选择磁体材料和结构，减小磁通量损耗，提高电机的效率。
磁通密度是影响永磁同步电机性能的重要因素。
磁通密度过高会导致铁心饱和，造成能量损耗和发热，降低电机效率。
因此，需要对磁通密度进行合理设计，以确保电机在给定功率下能够正常运行。
转子结构也是永磁同步电机设计的重要考虑因素。
转子结构的设计直接影响电机的运行性能。
一般来说，永磁同步电机的转子结构可以分为表面磁极和内置磁极两种类型。
表面磁极结构可以提高电机的转矩密度，但同时也增加了转子的惯量和转子损耗。
内置磁极结构则可以减小转子的惯量和损耗，提高电机的响应速度和运行效率。
根据具体的应用需求，选择合适的转子结构，以满足电机的性能要求。
除了以上几个方面的设计考虑，还需要注意电机的控制策略。
永磁同步电机可以通过矢量控制、直接转矩控制等方式来实现高效、稳定的运行。
在设计电机的控制策略时，需要考虑电机的特性和应用需求，选择合适的控制方式，并通过合理的参数调节和优化算法，实现电机的优化运行。
永磁同步电机的电磁方案设计需要考虑磁场分布、磁通密度、转子结构和控制策略等因素。
通过合理的设计和优化，可以实现电机的高效、稳定运行，满足不同应用领域的需求。
在未来的发展中，随着新材料和新技术的不断推进，永磁同步电机的性能将进一步提升，为各个行业提供更加高效、可靠的动力解决方案。
同步电机永磁电机maxwell分析
三相同步电机分析1. 电流设置问题电流的幅值*sin(2*pi*频率*time+delta)电流极大值：电流有效值*sqrt(2)频率：f=p*n/60 p为转子级对数，即Pr2. 电压的初相位调整根据出来的A相电压调整其位置，对于电压半个周期相位为360/2/Pr，务必使A相的电压满足正弦波形3. 分析时长与步长的控制分析时长选择一到两个周期，周期的计算方法：T=1/f=p*n/60分析步长选择分析时长的1%-2%，此外，每隔一到十个记一次数4. 基于坐标变换的交流磁场磁通密度的调整(-Moving1.Position -初始相位 * PI/180) * 极对数 + PI注意前面要加个负号5. 空载情况下的三个校核要点电流要为零+A相电压从零开始起步+Flux_q=0(磁通变化后)Flux-d是沿磁极正向的磁场强度，Flux-q是垂直于磁场方向的磁场强度，正常情况下，垂直于磁场方向应该为06. 删除现有的结果7. 负载要将电流初相位delta改为零，然后给电流的大小赋值8. 气隙磁密分布情况使用气隙中间的圆线作为参考面，使用场计算器计算B在中心面上的径向与切向分量在result中添加曲线可以在此处更改对应的时间9. 对气隙磁密进行傅里叶分解首先要进行坐标变化，把横坐标变成1，并且注意要用标准单位可以用鼠标划分局部显示傅里叶结果的横坐标是谐波极对数（频率），纵坐标是谐波幅值10. 网格划分问题可以通过画圆圈线手动加密气隙网格密度，画圈之后，将coverlines删除，将自动保留线画完曲线之后再画网格，并通过plotmesh查看11. 矢量场向量曲面积分计算问题在指定的曲线上，当需要插入函数的时候，先将变量以及加减乘除运算符先加上，然后使用积分函数integ 函数，需要注意的是，此处为矢量的线积分，要注意公式的转换·1，一般，极坐标积分可以提出一个r 出来，即：()r f d θθ∫在线积分时就变成了：()l f d θ∫。
5.5kW永磁调速同步电动机的设计与分析
作者简介： 吴亚麟（９３一 ， 福建福州人， １ ５ ）男， 副教授， 研究方向： 变流技术与控制技术 ， 稀土永磁电机设计开发与应用， ｍ ｉｗｌｌ ６ Ｅ ａ ：ｙｚ ｌ ｆ＠１３
的， 无需 励磁 电流 和励 磁损 耗 ， 同步 转 速运 行 转 子
在 电力 拖 动 系统 中采 用 调速 措 施 可 以提 高 节 能 效果 ， 例如 直 流 电动 机 调速 、 流 电动 机 变极 调 交 速 或变 频调 速 ， 有 采 用 机 械传 动 结 构 变速 等 ， 还 但 是 机械 传动 结构 变 速 和变 极 调 速 属 于有 级 的 调速 方 式 ， 流 电动机 虽 然 具 有较 好 的调 速 性 能 ， 直 但存 在换 向火 花 的缺 点 ， 制 了调 速 的 容 量 和 应 用 环 限 境， 而变频 调 速 是 一 种 高 效 节 能 型 的无 级 调 速 方
３ ％左 右 ， ０ 而且 在 中 、 轻载 运行 时 ， 土永磁 同 步 稀
电动机仍具 有较 高 的效率 和功率 因数 特点 ， 决 了 解
抽 油机配 用异 步电动 机 出现 “ 马拉 小 车 ” 造成 大 而
稀 能源浪费的现象。该项 目 ２０ 年通过福建省级 系统 相媲美 ， 土永磁 电动 机变 频调 速要 比异步 电 于 ０２ ％ 因此 ， 土永 稀 科技成 果鉴 定 （ 闽科鉴 字 ［０２ 第 ３ ２０ ］ ２号 ） 近 年来 动机变 频 调速 节 能 效 果 高 ５ 以上 ， ， 大批 量生产 投放 在各 油 田推 广应用 。 磁调速 同步 电动 机 （ 以下简 称 “ 速 Ｒ Ｐ Ｓ ） 调 Ｅ Ｍ Ｍ” 在 电动 机 及其 驱 动 系统 的耗 电量 约 占工业 用 电 水 泵 、 风机 、 电梯 设 备 和轨 道 交 通 系 统等 得 到 广 泛 总量 的三分 之二左 右 ，０６年 国际 电工 委员会 ＩＣ ２０ Ｅ 的应用 。文 中介 绍 基 于矢 量 控 制 变频 调 速 的 ６极 制定 了 ＩＣ ０ ３ ３ Ｅ ６ ０ ４— ０电动机 新 标 准 ， 目的在 于 ５ ５ｋ 调 速 Ｒ Ｐ Ｍ 的 设 计 、 制 与 试 验 ， 分 其 ． Ｗ Ｅ ＭＳ 试 并 淘汰低效 率 电动机 ， 开发 与应用 高效 率和超 高效 率 析技 术性 能 和 经济 指 标 （ 课 题 列入 福 州市 ２ ０ 本 ０８ 电动 机 ， 国 在 Ｎ ＭＡ高 效 电机 的基 础 上 又 制 定 美 Ｅ 年 高校科 技计 划基 金项 目） 。 了新 Ｎ ＭＡ 高效 标 准 ， 效 率 指 标 再 提 高 ２ 一 Ｅ 把 ％ ．ｋ Ｅ ＭＳ ３ ， ％ 在我 国“ 十一五 ” 划 的节 能 工程 中涉及 到 更 １ ６极 ５ ５ Ｗ 调 速 Ｒ Ｐ Ｍ 的设 计 规 本课 题 ６极 ５ ５ｋ 调速 Ｒ Ｐ Ｓ 是在 Ｙ系 ． Ｗ ＥＭＭ 新 和淘 汰低效率 电动 机及 高耗 电设 备 ， 推广 高效节 ３ 图 能电动机、 稀土永磁电动机、 高效传动系统等 ， 列异 步 电动机 １ ２机 座上设 计 的 ， １所示 为结 构 所以
飞轮储能系统高速永磁同步电动发电机控制关键技术研究
飞轮储能系统高速永磁同步电动发电机控制关键技术研究一、本文概述随着全球能源结构的转型和可再生能源的大力发展，飞轮储能系统作为一种新型储能技术，凭借其高功率密度、快速充放电、长寿命等优势，逐渐受到业界的广泛关注和深入研究。
高速永磁同步电动发电机作为飞轮储能系统的核心部件，其控制技术的优劣直接影响到整个系统的性能与稳定性。
对高速永磁同步电动发电机控制关键技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文旨在深入研究飞轮储能系统中高速永磁同步电动发电机的控制技术，针对其高速旋转、高功率密度、高精度控制等特点，探索有效的控制策略和优化方法。
对高速永磁同步电动发电机的基本原理和结构特点进行详细介绍，为后续的控制技术研究奠定理论基础。
重点分析现有控制技术的优缺点，并针对存在的问题提出改进方案。
在此基础上，结合先进的控制理论和技术手段，设计高效的控制算法，实现对高速永磁同步电动发电机的高效、稳定控制。
通过仿真和实验验证所提控制技术的有效性和可行性，为飞轮储能系统的实际应用提供有力支持。
本文的研究内容不仅有助于推动飞轮储能技术的发展和应用，也为相关领域的研究人员提供有益的参考和借鉴。
同时，本文的研究成果对于提高我国在新能源和储能技术领域的自主创新能力和核心竞争力具有重要意义。
二、飞轮储能系统概述飞轮储能系统（Flywheel Energy Storage System，FESS）是一种基于机械能储存与释放原理的新型储能技术。
其基本原理是，通过高速旋转的飞轮将电能转化为机械能进行储存，当需要能量时，飞轮减速将机械能再转化回电能。
这种储能方式具有响应速度快、效率高、寿命长、维护成本低等优点，因此在电力调峰、分布式能源、不间断电源等领域具有广泛的应用前景。
飞轮储能系统的核心部件是高速永磁同步电动发电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous MotorGenerator，HSPMSG）。
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。
永磁同步电机的电磁设计方案
永磁同步电机的电磁设计方案1 永磁同步电机的基本原理和特点永磁同步电机是一种新型的高效电动机，具有高效率、高功率密度、快速响应等优点。
它是由永磁体和电磁线圈组成的，通过电磁线圈与永磁体之间的作用产生转矩。
与传统的异步电机相比，永磁同步电机的效率更高、速度更稳定，特别适合用于高精度控制等场合。
2 永磁同步电机的电磁设计要点永磁同步电机的电磁设计是实现高效率、稳定运行的关键。
其中，电磁线圈的参数包括绕组数、导线截面积、绕组方式、铁芯形状等。
以下是具体要点：2.1 绕组数和绕组方式永磁同步电机的电磁线圈绕组数一般较少，一般少于异步电机的绕组数。
而采用多相绕组的方式，能够显著提高电机的功率密度和效率。
另外，对于高功率密度的永磁同步电机，可以采用三绕组式结构，使电机的相序和匝数更加紧凑。
2.2 导线截面积电磁线圈导线的截面积是影响永磁同步电机性能的重要参数之一。
截面积过小会导致电流密度过大，产生过多的电流损耗和温升，进而影响电机效率和寿命，而截面积过大则会使电机结构过于复杂，增加成本和体积。
因此，需要根据电机的功率和运行条件确定合适的导线截面积。
2.3 铁芯形状永磁同步电机的铁芯形状对电机的功率密度和效率影响较大。
对于高功率密度的电机，可以采用扇形铁芯或双球面铁芯结构。
此外，还可以通过添加铁磁材料或采用不同的接头结构等方法改善电磁线圈的磁通分布，减小铁芯损耗和噪音。
3 永磁同步电机的优化设计方法为了实现永磁同步电机的高效率、高性能运行，可以采用以下优化设计方法：3.1 磁场分析和模拟通过磁场分析和模拟软件（如ANSYS、COMSOL等），可以快速计算电机的磁场分布、磁通密度等参数，进而优化电机的结构和参数选取，提升电机的性能。
3.2 合理的控制策略电机的控制策略对电机效率和性能影响很大。
常见的控制方法有矢量控制、直接转矩控制等，需要根据具体应用场景选择合适的控制策略。
3.3 多因素综合考虑永磁同步电机的电磁设计需要考虑多个因素的综合影响，如电机的功率密度、效率、噪音、成本等。
永磁同步电机的电磁设计方案
永磁同步电机的电磁设计方案文章标题：永磁同步电机的电磁设计方案引言：永磁同步电机是一种高效、节能的电机类型，它在各个领域得到广泛应用。
然而，要实现其高性能运行，关键在于电磁设计方案的优化。
本文将深入探讨永磁同步电机的电磁设计方案，包括关键问题、优化方法以及对该方案的观点和理解。
1. 关键问题在开展永磁同步电机电磁设计方案时，我们需要关注以下几个关键问题：1.1 磁路设计：磁路设计是保证永磁同步电机高效运行的关键。
我们将探讨如何选择合适的磁路材料、确定合适的磁路形状以及如何降低磁路损耗。
1.2 磁场分析：准确地分析磁场分布对于制定合理的电磁设计方案至关重要。
我们将介绍如何利用有限元分析方法来分析磁场，并优化磁场分布。
1.3 磁极形状设计：磁极形状对永磁同步电机性能有直接影响。
我们将探讨如何选择合适的磁极形状以及优化磁极形状的方法。
1.4 槽形设计：电机的槽形对于永磁同步电机的功率密度和转矩产生影响。
我们将介绍如何选择合适的槽形，并优化槽形设计。
2. 优化方法基于上述关键问题，我们提出以下优化方法来改进永磁同步电机的电磁设计方案：2.1 遗传算法优化：通过遗传算法可以搜索磁路材料、磁极形状和槽形等方面的最佳解决方案。
我们将介绍如何利用遗传算法来优化永磁同步电机的电磁设计方案。
2.2 多目标优化：兼顾多个性能指标（如效率、功率密度和响应时间等）可以得到更全面和灵活的电磁设计方案。
我们将探讨如何使用多目标优化方法来提高永磁同步电机的性能。
2.3 实验验证：在优化过程中，实验验证是必不可少的一步。
我们将介绍如何设计实验并验证优化后的电磁设计方案的有效性。
3. 观点和理解从我个人的观点和理解来看，永磁同步电机的电磁设计方案是实现其高性能运行的关键。
通过对磁路设计、磁场分析、磁极形状设计和槽形设计等关键问题的深入研究和优化，能够有效提升永磁同步电机的效率和功率密度。
遗传算法优化和多目标优化方法能够为电磁设计方案的改进提供有力的支持。
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大功率高速永磁同步电机的设计与分析
发表时间：
2016-07-19T10:13:33.690Z 来源：《电力设备》2016年第8期 作者： 陆焕瑞 王钢 汪佳龙
[导读] 从安全性、可靠性、稳定性、准确性等方面入手，通过自主研发，以此来研制出满足用户要求的高性能产品。
陆焕瑞
王钢 汪佳龙
(上海海事大学 上海 201306)
摘要：针对西气东输过程中的10MW级变频驱动压缩机组(PDS)中，对高速直驱电动机的技术、结构和组成的要求，提出了大功率高速
永磁同步电机的研制方案。本文尝试以
10MW等级调速范围3120~4800rpm和额定频率160Hz的技术要求，来设计适合西气东输PDS中的大
功率高速永磁同步电机。本文主要以
Ansoft软件来设计电机，通过选择合适的技术参数来完成相应的设计。
关键词：PDS组，大功率，高速，永磁同步电机，Ansoft，设计与分析
1 引言
根据10 MW级变频电驱压缩机组中压大功率变频调速驱动系统(简称PDS)国产化研制及应用的项目背景，提出了10MW级变频电驱系
统的技术要求，通过比较分析市场各种变频器的结构特点和国产变频电驱系统技术力量，电机通常为正压通风防爆无刷励磁同步电机，一
般有低速
(1000~1500 r/min)加齿轮箱和4500~5200 r/min与压缩机高速直联驱动2种方式。由于国内厂家没有成熟的产品和应用业绩，主要
由
SIEMENS，ABB，TEMEI。
由于变频永磁同步电机能够通过降低输入电压频率实现自起动，而内置的永磁体能够提供磁通以及产生相应的同步转矩，这样可以保
证电机稳定运行时为同步电机运行状态。同时对于电机来说无需励磁电流，大大减少了定子上电流以及相应的损耗，并且在转子上几乎无
电流以及铜耗。因此与传统的感应电机和励磁电机相比，具有效率高、功率因数高的优点。
2 大功率高速永磁同步电机的设计
2.1 主要设计特点
永磁同步电机的定子一般与相应的异步电机的定子冲片相同，最主要的是对转子的设计。本文设计的大功率高速永磁同步电机的使用
场合较为特殊，对于这样的大电机要求运行可靠、大功率、高转速、高效率、防爆要求较高。所以不仅要设计合理的电磁磁路，又要在相
应的技术参数基础上
(机、电、热、材料、工艺、环境)对电机的性能进行改善。
所以在设计过程中要综合以下方面综合考虑：
(1)高压变频
高压变频起动永磁同步电机无需起动绕组，这样需要大功率的变频器来与之相匹配，同样还要加强电气强度，提高安全系数。
(2)大容量
电机为4级，定子额定电流约为660A，额定电压约为10kV,额定功率约为10MW，定子绕组采用Y型连接方式，相数为3相，额定频率为
160Hz
，额定转矩为20 。
(3)高转速
电机额定转速约为4800rpm，功率大、效率高、转速高，调速宽而且能持续运行。结合实际大功率高速永磁电机技术水平，合理选择
驱动压缩机方式。
(4)防爆
天然气是极易发生燃烧爆炸的气体，所以对电机要进行防爆措施，选择合适的材料以及防爆等级。
(5)冷却
中小功率电机一般是利用空气进行通风冷却，但随着单机容量的增加，大功率高速电机的散热面积和风路安排受到诸多限制，使通风
冷却较为困难。所以，为了保证电机温升不超过允许值需要用不同的冷却方式和通风系统。一般采用水风混合冷却，即内循环冷却采用水
冷，外循环冷却采用风冷。
2.2 定转子设计
图1 定转子结构
主要计算公式：
为常数，对于大功率高速永磁同步电机来说，通常把转子做的比较细长，这样有利于电机性能， 一般是小型的2倍之多，这样可以保
证转子具有足够的刚度和较高的临界转速。所以本文中的
初步取3，这样就可以大致确定电机的主要尺寸。这个值只是初步的计算结果，
后面还要进行相应的优化。
2.4 气隙长度的确定
调速永磁同步电机气隙的长度一般大于同规格感应电动机气隙的长度，且不同用途的电动机其气隙长度的取值也不相同。由于本文设
计的内置式永磁同步电机功率较大，所以气隙长度不得不做的较大，这样在一定程度上可以减少电枢绕组中产生的感应电动势中的谐波分
量。所以本文中的气隙的长度初步取为
6mm。
2.5 永磁设计
永磁体的尺寸以及电机转子的磁路结构，决定了电动机的磁负荷。而磁负荷又决定了电机的功率密度和损耗，对于内置式电动机永磁
体的设计有如下公式
:
3 有限元分析
3.1 电机空载情况分析
空载情况下电机绕组的电流基本为0，空载感应电动势小于电机的额定电压，空载气隙磁密接近正弦分布且幅值约为0.9T，空载齿部磁
通密度最大值大约在
1.3T，空载轭部磁密最大值大约在1.7T左右。
空载情况下转矩是按照一定的幅值振动此转矩为电机的齿槽转矩可以看出电机的齿槽转矩最大值大约在100，综上所述电机空载情况下
运行的各项参数基本满足电机的要求，各项参数值基本保持在误差范围以内。
3.2 电机额定负载情况分析
电机在额定负载运行的情况下(负载转矩等于电机的额定电磁转矩)，三相感应电动势和三相感应磁链始终保持在电机额定值左右。在额
定负载下电机的磁通密度保持较好，电机轭部磁密大约在
1.8T左右，齿部磁密大约在1.5T左右。所以电机在额定状态下运行时基本满足条
件，验证了电机设计的合理性。
4 结论
本文目的也是给大功率永磁同步电机国产化提出初步设计建议。希望大功率永磁电机的国产化可通过借鉴国外先进产品的技术加上国
内外专家的共同努力，从安全性、可靠性、稳定性、准确性等方面入手，通过自主研发，以此来研制出满足用户要求的高性能产品。
参考文献
[1]中国西气东输管道工程选中GE燃气轮机和压缩机组[J].油气储运，2006.
[2]陈世坤.电机设计(第2版)[M].北京：机械工业出版社，1990.
[3]王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007.
作者简介
高顺华，吕开钧，王世君，王维斌，吕文娥.上海：中国石油西气东输管道公司，上海200122。