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摘 要：高速永磁电机在当前的生产生活中应用广泛，本文基于笔者的实验设计，首先对影响高速永磁电机性能的关键参数进行了分析，然后对高速永磁电机的散热方案进行了相应的优化设计。
关键词：高速永磁电机;温升限制;散热优化
一、序言
伴随着当前科技水平的提高，传统的电机逐渐被功率更高、体积更小的高速永磁电机所取代。所谓高速永磁电机是指其转速在10kr/min以上的永磁电机，能够应用到多种领域，十分符合当前我国产业结构调整和相关产业领域升级的需求。本文主要针对高速永磁电机的结构、材料损耗、转子强度、转子支承等动力学参数进行分析，基于高速永磁电机的维护需求和低故障率需求对高速永磁电机进行优化，希望能为相关的产品研发提供参考。
二、关键参数对高速永磁电机性能的影响
高速永磁电机的尺寸主要受电磁、温升和机械三个方面的限制。首先是电磁方面，其应用的标准是在特定的电磁负荷情况下，电机的转子体积能够输出相应的电磁转矩。电磁转矩主要受电机气隙磁密平均值、电机线负荷有效值、转子表面积等因素决定，在相同的线负荷与气息磁密取值下，高速电机的优势就在于其转速越高，相应的输出功率也就越大;其次是温升方面，其应用的标准是在电机运转情况下，其散热面积和冷却方式能够使整体高速永磁电机的温情情况控制在绝缘等级之内。因为在高速电机运行的过程中，其定转子势必会产生一定程度的损耗，进而转化为相应的热能使得电机内不出现温升。高速永磁电机的温升主要是受转子永磁体的磁场强度、定子绕组的绝缘寿命和抗去磁能力等影响，直接表现为电机的散热情况和损耗情况;最后是机械方面，机械参数的选择主要表现为在离心力和共振的情况下，转子的外径和长径比能够保护转子不被破坏。高速永磁电机的机械限制主要表现在高转速下轴承尺寸的限制、转子离心力限制和转子临界转速限制三个方面。既需要考虑在离心力和共振的情况下转子的尺寸需求，也需要考虑临界转速下转子尺寸的限制和轴承尺寸的限制。此外还有相关足间刚度和阻尼等参数也会对转子系统的动力学特性产生影响，所以机械方面的限制是对高速永磁电机各组件参数选择的主要参考对象。
三、高速永磁电机优化设计
1.优化方案选择
经过对电机电磁温升限制的研究，我们可以了解到，高速永磁电机的电磁符合需要随着转速的提高而下降才能使高速永磁电机不达到温升极限。所以为提高整体高速永磁电机功率的密度，本次设计准备了以下三个方面的优化：首先是利用临近相应、抗集肤效应和环流的绕线方案，从绕组形势入手来阻碍电磁转速;其次是利用新型的定子铁心材料来降低定子的铁耗;第三是针对散热面的散热方案入手，利用水套冷却或蒸发冷却等先进的散热方案来提高传热系数。
2.散热优化
本次设计的电机为降低交流铜耗，采用较深的槽，并使内外线圈均集中在内槽和外槽的底部，在槽的上部留出了一定的空间。这样做的同时也增大了定子的散热面积。轴向吹拂冷却气流吸入电机内部后，被电机绕组和扼部分为两部分，分别进入外套、内槽和气隙组成的两个风道，最终从电机的另外一端排出。
为了解该电机基本冷却流场及温度场分布情况，笔者在相关软件上建立流固祸合传热简化模型，采用基于FVM的CFD软件AnsysFluent对其进行共扼传热分析，最终得到的优化方案如下：
首先是增大定子冲片的扼部厚度，缩小外槽面积，同为外槽设置了槽肩，将其由开口槽调整为闭口槽，并使用槽楔将外槽完全封闭，移除了外风道;
其次是增大定子内齿宽度，缩小内槽面积，使绕组高度增加，从而缩小了内风道;
最后是为补偿外风道被封对定子散热带来的影响，在机壳外设置散热翅。
进行完以上改进后，由于线圈更靠近槽口，在同样工作温度下，铜耗由优化前计算的683W增加至708W。定子铁心磁密下降，但重量也有增加，综合起来导致铁耗变化不大，由77gw降低至77ow。采用同样的方式对改进后的电机结构进行简化及建模，并进行迭代计算。改进之后，轴向进入气隙的冷却流量增加。转子最高温度点更靠近出口，最高温升为91.6K。定子最高温升仍出现在外绕组靠近出口处，对应温升为69.7K。可见，改进前后，电机的定子最高温升仅提高了不到1K，但转子最高温升下降了6.5K。所做的改进工作起到了转子散热优化的效果。
四、总结
总而言之，本文根据高速永磁电机的实际限制情况出发，对高速永磁电机的散热方向进行了重新设计，提高了整體散热性能，让其能够更好的满足高速永磁电机的实际应用生产要求。根据后续的仿真模拟实验，笔者对本次设计的高速永磁电机进行了运行模拟，确认本次设计的电机取得了预期的设计成果。
参考文献
[1] 张凤阁，杜光辉，王天煜，王凤翔，Wenping CAO，王大朋.1.12MW高速永磁电机多物理场综合设计[J].电工技术学报，2015，30（12）：171-180.
[2] 孔晓光，王凤翔，邢军强.高速永磁电机的损耗计算与温度场分析[J].电工技术学报，2012，27（09）：166-173.
关键词：高速永磁电机;温升限制;散热优化
一、序言
伴随着当前科技水平的提高，传统的电机逐渐被功率更高、体积更小的高速永磁电机所取代。所谓高速永磁电机是指其转速在10kr/min以上的永磁电机，能够应用到多种领域，十分符合当前我国产业结构调整和相关产业领域升级的需求。本文主要针对高速永磁电机的结构、材料损耗、转子强度、转子支承等动力学参数进行分析，基于高速永磁电机的维护需求和低故障率需求对高速永磁电机进行优化，希望能为相关的产品研发提供参考。
二、关键参数对高速永磁电机性能的影响
高速永磁电机的尺寸主要受电磁、温升和机械三个方面的限制。首先是电磁方面，其应用的标准是在特定的电磁负荷情况下，电机的转子体积能够输出相应的电磁转矩。电磁转矩主要受电机气隙磁密平均值、电机线负荷有效值、转子表面积等因素决定，在相同的线负荷与气息磁密取值下，高速电机的优势就在于其转速越高，相应的输出功率也就越大;其次是温升方面，其应用的标准是在电机运转情况下，其散热面积和冷却方式能够使整体高速永磁电机的温情情况控制在绝缘等级之内。因为在高速电机运行的过程中，其定转子势必会产生一定程度的损耗，进而转化为相应的热能使得电机内不出现温升。高速永磁电机的温升主要是受转子永磁体的磁场强度、定子绕组的绝缘寿命和抗去磁能力等影响，直接表现为电机的散热情况和损耗情况;最后是机械方面，机械参数的选择主要表现为在离心力和共振的情况下，转子的外径和长径比能够保护转子不被破坏。高速永磁电机的机械限制主要表现在高转速下轴承尺寸的限制、转子离心力限制和转子临界转速限制三个方面。既需要考虑在离心力和共振的情况下转子的尺寸需求，也需要考虑临界转速下转子尺寸的限制和轴承尺寸的限制。此外还有相关足间刚度和阻尼等参数也会对转子系统的动力学特性产生影响，所以机械方面的限制是对高速永磁电机各组件参数选择的主要参考对象。
三、高速永磁电机优化设计
1.优化方案选择
经过对电机电磁温升限制的研究，我们可以了解到，高速永磁电机的电磁符合需要随着转速的提高而下降才能使高速永磁电机不达到温升极限。所以为提高整体高速永磁电机功率的密度，本次设计准备了以下三个方面的优化：首先是利用临近相应、抗集肤效应和环流的绕线方案，从绕组形势入手来阻碍电磁转速;其次是利用新型的定子铁心材料来降低定子的铁耗;第三是针对散热面的散热方案入手，利用水套冷却或蒸发冷却等先进的散热方案来提高传热系数。
2.散热优化
本次设计的电机为降低交流铜耗，采用较深的槽，并使内外线圈均集中在内槽和外槽的底部，在槽的上部留出了一定的空间。这样做的同时也增大了定子的散热面积。轴向吹拂冷却气流吸入电机内部后，被电机绕组和扼部分为两部分，分别进入外套、内槽和气隙组成的两个风道，最终从电机的另外一端排出。
为了解该电机基本冷却流场及温度场分布情况，笔者在相关软件上建立流固祸合传热简化模型，采用基于FVM的CFD软件AnsysFluent对其进行共扼传热分析，最终得到的优化方案如下：
首先是增大定子冲片的扼部厚度，缩小外槽面积，同为外槽设置了槽肩，将其由开口槽调整为闭口槽，并使用槽楔将外槽完全封闭，移除了外风道;
其次是增大定子内齿宽度，缩小内槽面积，使绕组高度增加，从而缩小了内风道;
最后是为补偿外风道被封对定子散热带来的影响，在机壳外设置散热翅。
进行完以上改进后，由于线圈更靠近槽口，在同样工作温度下，铜耗由优化前计算的683W增加至708W。定子铁心磁密下降，但重量也有增加，综合起来导致铁耗变化不大，由77gw降低至77ow。采用同样的方式对改进后的电机结构进行简化及建模，并进行迭代计算。改进之后，轴向进入气隙的冷却流量增加。转子最高温度点更靠近出口，最高温升为91.6K。定子最高温升仍出现在外绕组靠近出口处，对应温升为69.7K。可见，改进前后，电机的定子最高温升仅提高了不到1K，但转子最高温升下降了6.5K。所做的改进工作起到了转子散热优化的效果。
四、总结
总而言之，本文根据高速永磁电机的实际限制情况出发，对高速永磁电机的散热方向进行了重新设计，提高了整體散热性能，让其能够更好的满足高速永磁电机的实际应用生产要求。根据后续的仿真模拟实验，笔者对本次设计的高速永磁电机进行了运行模拟，确认本次设计的电机取得了预期的设计成果。
参考文献
[1] 张凤阁，杜光辉，王天煜，王凤翔，Wenping CAO，王大朋.1.12MW高速永磁电机多物理场综合设计[J].电工技术学报，2015，30（12）：171-180.
[2] 孔晓光，王凤翔，邢军强.高速永磁电机的损耗计算与温度场分析[J].电工技术学报，2012，27（09）：166-173.