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摘要：随着科学技术的发展，高速永磁电机在工业上的应用得到了一定程度的重视。相较于普通电机，高速永磁电机的设计虽然仍需遵循基本的电磁原理，但是由于其具有体积小和转速高等多方面的特点，所以就需要解决高转速为其带来的一系列问题。而就目前而言，高速永磁电机的设计技术的核心是电机转子和定子的设计，而电机分析技术的核心是对电机损耗、转子强度和温升计算的分析。基于此，本文主要对高速永磁电机设计与分析技术进行分析探讨。
关键词：高速永磁电机；设计；分析技术综述
1、前言
与传统电机相比，高速电机无需借助复杂的、维护困难的变速装置，可直接与高速负载或原动机相连，具有功率密度高、体积小、效率高、可靠性高、运行成本低的优点，因此在高速机床、鼓风机、压缩机、透平式膨胀机、微型燃气轮机等领域具有广阔的应用前景，得到了广泛关注。永磁直流电机、绕线直流电机、实心转子异步电机、线绕转子同步电机、感应子电机、开关磁阻电机等均可应用于高速场合。
2、高速永磁电机设计技术综述
2.1电机转子设计
在高速永磁电机运行的过程中，转子会进行高速的旋转。所以，伴随着电机的运转，因旋转产生强大的离心力需要转子具有更高的强度，而因摩擦产生的高温也容易对转子转轴和轴承的结构进行破坏。所以，想要保证电机的稳定运行，就需要使转子在具有一定的强度的同时，具有低损耗和耐高温的特性。而想要达成这些目的，就需要从转子的材料和结构的设计上来进行考量。一方面，在材料设计上，现在通常使用的都是具有较高矫顽力的铁氧体或者稀土永磁材料。而之所以选择这种材料，首先是因为材料本身具有较小的温度系数，可以在高温时维持转子的稳定的转矩特性。其次，该种材料还能适应较高的温度下的较小的材料尺寸的变化，从而可以用于温度较高的场合而能够保持机械结构的可靠性。再者，该种材料具有较强的抗压性和抗挠强度，可以承受因高速运转产生的较高一定的离心力。但是值得注意的是，该种材料的抗拉强度非常低，因此需要采用一定的结构设计进行材料的保护。在结构设计上，如今最常使用的是表贴式结构和两级圆柱永磁结构，对转子磁体材料形成一个相对稳固的抗压壳体对进行保护。
2.2电机定子设计
不同于转子，高速永磁电机的定子是电机的主要发热元件和散热通道。所以，电机的大部分损耗将在定子上产生，而转子损耗也与定子的结构和材料有着密切的联系。所以，定子的材料与结构设计，成为了电机研究的重点内容。一方面，在结构设计上，现阶段经常采用的是环形绕组的定子结构。在这种结构中，首先，绕组处于电机的轭部，从而缩短了转子所需的长度，进而提升了转子的刚度。其次，该结构中的内外槽较多，可以成为散热通道，进而帮助定子散热。但是需要注意的是，在电机高速运转的过程中，比起普通电机，这些齿槽会增大转子的损耗。
3、高速永磁电机分析技术综述
3.1对电机损耗的分析
对电机损耗的分析技术，是目前高速永磁电机分析技术中较为热门的话题。这是因为在高速永磁电机的运行过程中，电机定子势必会产生一定的铁耗或者铜耗，因此，目前许多学者都加强了对定子铁耗与定子铜耗分析技术的研究。在定子铁耗的分析上，主要采取比损耗法，也就说按照特定频率和磁密下的定子铁耗进行高速永磁电机运行过程中定子铁耗的计算，并且结合一定的经验系数，对所得计算结果进行修正。而在定子铜耗的分析上，则主要采取解析模型效应方法进行定子铜耗计算。此外，在高速永磁电机损耗分析中，对电机转子涡流损耗的分析也是重中之重，往往采用解析法与有限元法，通过这两种方法对电机转子涡流损耗进行分析。
3.2对电机转子强度的分析
在高速永磁电机的实际运行过程中，由于电机转子会受到来自离心力的巨大破坏，因此，为了进一步确保电机转子的安全稳定运行，就必须在电机转子设计的过程中，做好对电机转子强度的分析工作。通常情况下，我们在分析结构简单的电机转子强度时，往往可以将其转子内部的应力以及永磁体内部的应力进行准确的分析，得出计算结果。在分析结构复杂的电机转子强度时，则需要先对计算结果进行简化解析，并利用FEM法对电机各项材料的性质分别进行分析。而在分析实际运转中的电机转子强度时，则应该做好对转子二维轴向截面的分析工作，从而实现较小规模的电机转子强度分析。与此同时，为了确保在高速永磁电机运行过程中，电机转子能够保持良好的工作性能，还要对电机转子的临界转速、稳定性、不平衡相应等动力学内容展开详细的分析。
3.3对电机温升计算的分析
在实际运行过程中，永磁体工作点会受到温度的较大影响，过高的温度还会造成永磁体失磁问题。所以，对于高速永磁电机而言，其性能与温升水平有着密不可分的联系。因此，如何准确的计算温升，则俨然已经成为永磁电机散热设计的关键所在。目前在对高速永磁电机的温升计算中，常见的温升计算方法主要有三种:
第一，ＬPTN法。ＬPTN法的应用实质就是将高速永磁电机中温度较为相近的部分合成一个节点，并用热阻模拟节点之间的传热。对于固体热传导所对应的热阻，可根据固体材料的导热率和几何尺寸予以计算。而对于流固交界面处的对流传热热阻，则要根据流传热系数与交界面的实际面积予以计算。在实际计算中，可充分借助电路实现，将高速永磁电机各个部分的损耗，作为热源加在相应的节点之上，并将这些热源看作是电流源，热阻看作是电阻，温度看作是电压，基于此采用电网络求解技术对高速永磁电机各个部分的温升进行计算。一般来讲，根据不同的离散程度可将高速永磁电机划分为几个、几十个，甚至是上百个节点。其中，离散程度越高，计算越准确，在热阻的计算工作上也就更为复杂。此外，因为流传热系数与流体流速有着密不可分的关系，所以，在对热网络进行计算前，就必须建立高速永磁电机的冷却流体网络，利用经验公式、曲线以及表格，确定流传热系数。
第二，FEM法。FEM法是利用二维或者是三维的方式，对高速永磁电机实体进行建模剖分，以此加载各项损耗的密度与传热条件。所以，求解所获得的温升分布与ＬPTN相比更加详细。但是，由于FEM法在结果计算中也是依据经验方法进行计算，所以与ＬPTN面临着相同的问题，就是计算结果的准确性，严重依赖于传热条件的准确程度。因此，在实际的温升计算中，多使用FEM法作为ＬPTN模型的修正与细化。
第三，CFD法。与ＬPTN法、FEM法相比，CFD法在对流传热系数的确认上无须借助经验方法，只需借助流固耦合和共轭传热建模技术，就可以对高速永磁电机的内部、外部流体情况，温升分布情况，进行准确的求解，因此CFD法计算出的结果准确性更高。但同时，在CFD法的应用过程中，对剖分技术、计算机资源等要求较高，计算过程较为耗时，因此在一定程度上也阻碍了CFD法的广泛应用与推广。所以，近些年来诸多学者就CFD法展开了详细的分析，将ＬPTN法与CFD法相结合，或者是将FEM法与CFD法相结合，充分利用各种计算方法的优势，既降低了温升的实际计算时长，也进一步提高了温升的计算精度。尤其是近年来，随着我国计算机网络信息技术的快速发展，软硬件技术也随之得到了相应的提高，人们对高速永磁电机功率与效率提出了更高的要求，所以CFD法在高速永磁电机传热方面的应用势必会更加广泛，值得广大电机相关工作者加以深入研究与探讨。
4、结论
总而言之，本文在总结和概括高速永磁电机的核心技术的基础之上，对其设计及分析技术进行了综述。而从本文研究的结果来看，目前的高速永磁电机的设计主要是围绕着电机定转子的材料和结构来进行的，并且取得了一定的进展。但是在高速永磁电机的分析技术方面，人们对电机损耗、转子强度和温升计算的研究尚不够完善。因此，相信随着科学技术的发展，高速永磁电机的相关技术会得到进一步的完善，从而使其得到更为广泛的应用
参考文献：
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[2]张道洋，李琳琳，温家宝．高速永磁电机设计与分析技术研究[J]．通讯世界，2016，(01):255-256．