高速高效永磁同步电机的研究

高速高效永磁同步电机的研究

 顾美华  杜 艳

浙江晋一特种电机有限公司 312455

摘要：高速电机的研究正在成为国际电工领域的研究热点。由于电机的转速高，功率密度大，其外形尺寸远小于同功率等级的低速电机，因此可以有效地节约电机加工材料；同时由于电机可与高速负载直接相连，省去了中间齿轮增速环节，提高了电机系统的运行效率及可靠性。目前国内外高速电机技术并不完善，还存在一些关键技术问题亟待解决：如轴承问题、噪声问题、转子动力学问题、损耗和散热问题、驱动控制问题以及加工工艺问题等。

综上所述，本课题的研究具有较强的理论研究价值，以及重要的现实意义。

关键词：高速 、高效 、永磁同步电机

一．国内外研究现状和发展趋势

目前在高速电机实际应用方面我国已经取得了不少成果。现在已经公开的有浙江大学以沈建新教授为代表的科研团队，在高速永磁无刷直流电机研究领域做了大量理论研究，并且得到了实验验证。提出了转子保护套周向开槽技术以减小保护套涡流损耗，对转子永磁体排列结构进行了优化，有效降低了永磁体内涡流损耗，研究了永磁电机永磁体退磁扩散理论，提出了永磁体退磁估算的新方法，此外还对高速电机无位置传感器控制技术做了大量研究，研究了采用三次谐波注入法检测转子位置的控制技术以及永磁电机磁链观测原理，此外在高速电机定转子拓扑结构、电磁损耗、轴承损耗、磁悬浮轴承等领域做了大量研究，发表了众多高水平学术论文，所研制的小功率高速电机最高转速达10万转/分钟。

与国内相比，国际上对于高速电机的研究更加全面，材料水平和加工技术更高，因此所取得的成果也更为突出。

在大功率高速电机方面，美国麻省理工学院研制的1.5万转/分钟、5MW感应电机在世界范围内也占有领先地位，技术水平远远超过了世界上其他国家；例如，瑞士苏黎世联邦工学院研制了50万转/分钟、100瓦的微型燃气轮发电机，目前为止在世界上属于最高速电机。

（1）国内外研究现状

研究现状主要在于设计（结构设计、驱动器设计、控制器或控制系统设计等），优化，控制，诊断等等方面。 

（2）发展趋势

永磁同步电机以其效率高、比功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进，稀土永磁同步电机的研究开发在国内外又进入了一个新的时期，在理论研究和应用领域都将产生质的飞跃。它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出许多新型的、性能优异的机电一体化产品和装备，代表了21世界电机发展方向。 

二．本课题主要研究开发内容和技术关键

1. 研究的主要内容

（1）永磁同步电机数学模型的研究以及鼠笼参数对电磁性能影响的分析，将针对永磁同步运行模式建立数学模型，并且，所建模型需能求解电机瞬态和稳态两种情况下的性能。转子磁路结构设计必须综合考虑多方面的因素，针对电动机的具体应用需求进行性能的权衡，以获得较为理想的方案。

（2）电机主体结构创新设计

异步启动永磁同步电机拓扑结构的研究，包括定子拓扑结构和转子拓扑结构。转子磁路很大程度上决定了电动机性能，是设计方面的重点。磁路设计主要是对永磁体安装尺寸的设计，并结合隔磁桥、转子鼠笼槽、通风孔等结构的合理选型，在提高电动机的效率、功率密度和过载能力，获得良好的起动及运行性能。

（3）永磁同步电机的综合性能分析方法

本课题将通过电机的数学模型和有限元计算等方法，全面分析永磁同步电机在高速运行模式下的性能。提高效率的关键技术，如采用高性能硅钢片，增加槽满率，缩短定子绕组端部长度，改进风扇设计和提高制造精度等。采用磁路法或磁场数值计算法进行电机设计，为获得最佳方案，从空载反电势、电磁转矩、热负荷等方面出发，关注电动机结构尺寸变化对电机性能的影响。

（4）永磁转子的实现以及电机的生产工艺研究

研究电机定子铁芯、绕组、浸漆等生产工艺，转子制造及动平衡工艺，机壳、端盖的同心度保证工艺，轴承串联使用的装配工艺等等。这些工艺可以借鉴传统低速电机的工艺，但是又要针对高速、中等功率等特点进行专门研究。

2. 关键技术

（1）转子的优化电磁设计问题。包括以下两个方面：

①转子对于高速永磁同步电机稳态性能的影响，建立相应的分析模型, 从提高稳态运行性能的角度解决鼠笼的优化设计问题。

②转子对高速永磁同步电机中转子涡流损耗及温升的影响，从减少涡流损耗和温升的角度寻求合理的高可靠性的电机结构。

（2）转子的机械强度和动力学问题。

高速电机的转子如果设计成短而粗的结构，则离心力过大；如果设计成长而细的结构，则轴系的刚度下降。所以，要解决电机转子长径比的优化设计问题。

3. 创新点

（1）通过数学模型分析、有限元计算等方法，提出高速高效异步起动永磁同步电机的优化设计方法。

（2）研究永磁转子复杂结构的动力学性能，提出优化后的可靠的高速鼠笼式转子结构。

（3）研究、确定实用的适合高速高效异步起动永磁电机的批量生产制造工艺。

三、本课题应用及产业化前景：

由于电机的转速高，功率密度大，其外形尺寸远小于同功率等级的低速电机，因此可以有效地节约电机加工材料；同时由于电机可与高速负载直接相连，省去了中间齿轮增速环节，提高了电机系统的运行效率及可靠性。总之实施该计划本课题是切实可行的，随着该产品的制造技术、工艺流程、营销网络的进一步优化，预计生产成本将会逐步下降，经济效益将会随之提高本课题完成后，产品效率满足国际领先的IE5能效标准，国内达到超高效电机效率标准，符合加入能效领跑者计划标准，同时达到节能减排的目标。高速高效节能电动机的节电率能达到20%左右。该产品是目前电机行业内急需的高效节能设备。瞄准世界最新技术，先进标准，不断研制开发适应市场需要的新产品，促进企业高速发展，并推动电机行业技术进步。对提升我国开发高效节能电机关键技术具有深远意义。

参考文献

[1]唐任远.现代永磁电机[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007.

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