高速永磁无刷电机转子轴动力学特性及其结构优化

1、 摘 要所谓的电机是一种能够把电机产生的电能迅速转化为机械能的设备。而传统所用的电机主要是指常规永磁电机所言，这种电机性能不好，容易受损和饱和，其定位力矩和启动都存在明显的问题。而高速永磁无刷电机目前应用广泛，而且已经越来越成为国际电工领域研究的热点，也在航空、电工、化工、医学、军工等各个行业得到追捧。特别对那些对电机质量和技术要求高的行业如航天和军事领域，对高速电机的要求更加严格。从起源来看，高速永磁无刷电机最早开始于日本，目前日本几乎百分之九十以上的生产生活电机都是使用这种新型电机。不仅可以节约能源，而且如果大规模使用这种电机还可以减少对环境的污染，起到一定的环保作用，这可以说是一种新型而

2、理想的电机。虽说高速永磁无刷电机在欧美日等发达国家已经得到普遍的推广，但是由于其高技术含量和高难度的控制性，目前还无法进行大规模投产使用，其目前使用范围仅限于那些高端的行业如航空和军事等方面。本文采用理论建模和有限元仿真相结合的方法，通过对高速永磁无刷电机的动力学特性和工作原理进行研究分析，并提出对其结构优化的认识，建立高速永磁无刷电机转子系统动力学数学模型。关键词：高速电机；永磁；动力学特性；结构优化AbstractThe motor is a kind of to be able to produce the electrical energy into mechanical energy

3、 equipment quickly.And used in the traditional motor mainly refers to the conventional permanent magnet motor, the motor performance is not good, easy to damage and saturated, torque and its positioning start there are obvious problems.And high speed brushless permanent magnet motor is widely used,

4、and has increasingly become the international research hot spot in electrical engineering, also in the aviation, electrical, chemical, medical, military and other industries get popular.Especially for those high quality and technical requirements of motor industries such as aerospace and military fi

5、elds, more strictly to the requirements of high-speed motor.In addition with the improvement of national requirements for the environment, the traditional motor is bigger and the side effects of pollution to the environment to be being washed out gradually, because of its efficient low consumption a

6、nd high speed motor performance is quick research and development. From the point of origin, the first high speed brushless permanent magnet motor started in Japan, Japan almost more than ninety percent of the motor is the use of this new type of production and life.Not only can save energy, but if

7、the mass use of the motor can also reduce pollution to the environment, have certain environmental effect, it is a new and ideal of the motor.Though high speed brushless permanent magnet motor in Europe and the United States, and other developed countries has been widely promoted, but due to its hig

8、h technology content and difficult control, it is cant be used for large-scale production, its use scope is limited to those high-end industries such as aviation and military aspects and so on.Thus, for this type of motor yenji, is still in its early stages, still need further discussion and researc

9、h. This article adopts the method of combining the theoretical modeling and finite element simulation, based on high speed brushless permanent magnet motor through analyzing the dynamic characteristics and working principle, and put forward the understanding of the structure optimization, high-speed

10、 dynamic mathematical model of permanent magnet brushless motor rotor system.Keywords:Highspeedmotor;The permanent magnet；Dynamic characteristics；Structure optimization 目 录摘 要IAbstractIV第一章 绪论71.1 选题研究的背景及意义71.2 选题研究的现状101.3 高速永磁无刷电机的系统发展现状141.4 选题研究的内容、目的及方法151.5 论文框架17 第二章 高速永磁无刷电机的本体结构与工作原理192.1

11、高速永磁无刷直流电机的设计要求192.2 高速永磁无刷直流电机的本体结构212.3 高速永磁无刷直流电机的工作原理222.4 高速永磁无刷直流电机的重要尺寸23第三章 高速永磁无刷电机的材料构成与动力学特性分析253.1 高速永磁无刷电机的材料构成253.2 高速永磁无刷电机的动力学特性分析28第四章 有限元模式分析下的高速永磁无刷电机的转子强度334.1 有限元法介绍334.2 有限元的求解方法364.3 有限元模型及应力分析384.4 高速电机的转子结构及强度计算41第五章 高速永磁电机的转子优化设计465.1 高速电机的转子优化内容465.2 高速电机的优化设计的相关方法475.3 优化

12、设计中对约束条件的确定49第六章 总结51致 谢54参考文献56 第一章 绪论1.1 选题研究的背景及意义1.1.1 选题的背景自80年代中国的改革开放起，至今中国已经走过了三十多个年头。在全球经济放缓，气候和环境问题日益突出的今天，对经济结构的调整和转型已经提出了新的要求。各国对低碳经济的发展模式开始逐渐重视，在全球的经济竞争中，谁能够掌握低碳经济的发展窍门就能够处于有利的发展地位，由此可见，这已经成为新一轮的经济增长点。在这种背景之下，我国的各大产业也在此调结构的压力下开始迈出重要的步伐。而无论是在高端产业、新能源产业还是其他的制造业，要想推进其经济结构的调整，就需要在设备的动力系统上进行

13、更新换代，因为，传统的动力系统不仅需要消耗大量的能量，而且会产生大量的污染，这对低碳经济的发展构成严重的威胁，所以，调结构首先要调整动力系统，而在动力系统中，最具有影响力的就是电动机这个设备。所谓的电动机，简称电机。它是一种能够把电机产生的电能迅速转化为机械能的设备。但是传统所用的电机主要是指常规永磁电机所言，这种电机性能不好，容易受损和饱和，其定位力矩和启动都存在明显的问题。而高速永磁无刷电机目前应用广泛，而且已经越来越成为国际电工领域研究的热点，也在航空、电工、化工、医学、军工等各个行业得到追捧。特别对那些对电机质量和技术要求高的行业如航天和军事领域，对高速电机的要求更加严格。从起源来看，

14、高速永磁无刷电机最早开始于日本，目前日本几乎百分之九十以上的生产生活电机都是使用这种新型电机。不仅可以节约能源，而且如果大规模使用这种电机还可以减少对环境的污染，起到一定的环保作用，这可以说是一种新型而理想的电机。虽说高速永磁无刷电机在欧美日等发达国家已经得到普遍的推广，但是由于其高技术含量和高难度的控制性，目前还无法进行大规模投产使用，其目前使用范围仅限于那些高端的行业如航空和军事等方面。但是，随着各国对高效节能产业、高端装备制造业、新能源发电产业等产业领域的日益重视,以及电机、控制、电力电子、材料等诸多学科的蓬勃发展,应用高效、节能、高功率密度的高速电机作为主驱动力或能量传递部件的产品日益

15、增多。1由此可见，对电机的研究和设计都将深刻的影响到未来各个产业的发展。目前，从整个社会的行业来看，小到家用的电器如电风扇、空调等，大到国家的军用设备如飞机、坦克，甚至在航天领域的飞船、火箭等，都需要用到电动机作为驱动力系统。没有电动机，所有这一切都无法运转，这就意味着如果没有电动机，那么整个社会将陷入静止状态，无法正常的运转，由此可见电动机对国家、对社会的发展的至关重要性。正如所言：“可以说电动机在整个社会的发展变化过程中在各个方面都起到至关重要的作用。”2 所以，今天我们重视电动机的发展未来是十分有价值和意义的。因为，只有抓住这个发展的关键点，才能够推动社会的往前。我国在电动机的制造方面发

16、展比较滞后，最早开始于上世纪初，随着改革开放的深入和国际科技行业的推动，目前我国的电动机制造行业有了相当的规模和成熟的技术，开始带动了产业经济的发展效益，成为一种新兴的发展动力点。目前在销售上，我国单在电动机制造业这方面就有着百分之三十的年收入增长趋势。除了在生产的数量上，我国的电机制造业还在质量上开始有所突破和创建。开始向建立自身的品牌进发。因为作为电动机这个关键环节，如果仅仅依靠外国技术的提供，那么我国的高端行业以及非常重要的制造行业永远将受制于人，而只有拥有自己设计和创造的电动机，才可能发展出属于本国所有的制造业，才有可能在全球竞争中处于有利的地位。而电机系统比较复杂，涉及到控制器、电动

17、机、从动装置、传动装置以及其他部件等,是一个涉及多学科、多专业、多领域的复杂系统。随着该行业的前景越来越好，国家也开始了对这种高效能产品的大力扶持，这也给高效能的电机制造带来新的发展机遇。永磁无刷电机有两种，分别是永磁同步电机和永磁无刷直流电机。由于二者具有高度相似的电机本体和驱动结构，所以对这两种电机统称为永磁无刷电机。但是相比而言，同步电机会产生失步现象，所以，通常选用无刷直流电机。因为其转速最高可达20000r/min,甚至可以达到30000一400O0r/min。3而高速永磁无刷电机的产生就是科学技术发展带来的结果，高速永磁无刷直流电机如下图1.1所示：1.1.2 选题的意义 目前，我

18、国的电动机开发和研究技术与西方发达国家的技术有很大额差距。这种差距主要有几方面的体现： 首先，我国能够开发出的电主轴电机转速不高，与日英的最高转速r/min相比，我国这方面的差距还是非常大的。除了这个转速，我国的设备在变频器、频率等方面也是比较落后的。由此导致我国的很多设备只能选用进口。这在技术上受制于人。所以在经济收益上，我国也无法享受到核心技术带来的创收，还处在低端效益之中。 其次，在统一的标准上面，我国在这方面的行业规定也存在缺失。虽然都有各种类型的高速电主轴的产品的产生，但是相关制造商各自为政，各自拥有自己的标准，国家在这方面并无统一规定，造成很多的资源浪费，也产生不良的竞争。 再者，

19、我国在关键零部件上的制造技术一直以来都是比较落后的，而电机技术的关键部位和工序都是属于高端性质的研发，我国在这方面的技术尤为不足。 虽然说，随着我国改革开放的深入发展，我国已经成为世界的制造业大国，甚至已经成为世界第二大经济体。许多西方国家都在消费中国制造的商品，表面看起来，我国的经济体量和效益都已经有了大国的感觉，但是，在核心技术和关键零件的研发上面，我国几乎是处于空白，这一切都垄断在西方国家手中。由此看来，我国虽有制造业大国之名，但在核心技术上却无此之实际。所以，如果能够在研发高速永磁无刷电动机上面做足文章，投入精力，相信这对我国的超高速电主轴的开发具有推动性的作用。 另外，在自然能源方面

20、，虽说我国的石油天然气藏量丰富，但由于分布不均和人口分布不平衡等诸多因素的限制，这些都导致了我国在能源建设上面临的瓶颈问题。随着蓄能电站、风能发电站、核电站等多种形态的电站的建设开发，对发电机就提出了诸多的要求，从这个角度来看未来我国的电动机市场将是非常的庞大，其存在的市场价值也是巨大的。而在国家的战略建设上， 目前各个国家对外太空的争夺竞争，对新型能源的设计研发以及对许多高端武器的开发研究，这些都意在加强国家的国防建设和具有长远的战略考量。如果我国在电动机的领域未能有所突破，那么我国的制造业关键行业将始终受制于人，因此从战略角度来看，这电动机的建设也是刻不容缓的。 从以上的分析种可以看到，无

21、论是从市场价值还是从国家的战略发展的角度来看，重视和发展研究高速永磁无刷电机的意义都是十分重要的。它既可以创造出更大的市场价值，使得我国的市场不受制于人，可以发展独立的工业系统和航天军事系统，从国家战略来说，也可以拥有自主产权性较强的电动机技术，这对我国的发展尤为重要。1.2 选题研究的现状在笔者对相关文献的检索和查询之下，发现总体上目前关于这类的选题还比较缺少扎实的研究材料。而对此进行的相关研究倒是有一些比例。特别是随着这个问题受关注的程度越来越高，对它的研究就开始越发的重要起来。我国学术界对高速永磁无刷电机的设计与研究工作起始于20世纪70年代末，最早的当属东北的沈阳工业大学于20世纪八十

22、年代成功研制出了一个三千瓦、四极、每分钟两万转的高速稀土钴永磁高速同步发电机，这款发电机主要用于太阳能发电使用，效率超过百分之九十，是一款比较成功的研究；紧接着就是1982年的西北工业大学成功研制出的1.2kw、4极、12000r/min的高速稀土永磁同步发电机，这个发电机主要用于航空，效能接近百分之九十。4与国外的研究相比我国对高速电机转子的结构研究方面才刚刚起步。李冰，邓智全等三人在高速异步电机设计的关键技术5一文中主要探讨了这方面技术存在的问题，王凤翔在其文高速电机的设计特点及相关技术研究6中围绕这一电机分析了其结构、以及其他部件的运转情况，如转子强度等，并且为我们介绍了磁悬浮轴承的结构

23、原理等方法，可谓是对高速电机做了一个非常完整的阐述，这在我国学术界尚属首例，意义十分重大。李丽阳，于海艳，姚大坤.三人在文章100MW空冷汽轮发电机护环强度分析7一文中主要围绕一台具体的电机进行强度上的分析，内容具体细微，比具有直观性感受。丁智平，刘义伦等人在燃气涡流转子盘片系统三维非线性循环应力应变分析8-10一文中主要是对燃气轮机进行分析，具有很强的针对性。王匀，刘全坤，黄婷等11-14人则从有限元的方法对一些装配问题进行理论分析，理论性比较强。以上这些研究主要是围绕着高速电机本身或者是电机内部的一些主要结构进行研究，既有微观层面，也有宏观一面的研究，这些研究对提升高速电机的研发和设计都具

24、有一定的理论意义。转子动力学的研究，最早可追溯到十九世纪六十年代。一个多世纪以来，随着大工业的发展，转子系统被广泛地应用于包括燃气轮机、航空发动机、工业压缩机等机械装置中，在电力、航空、机械、化工、纺织等领域中起着非常重要的作用。转子动力学是研究轴向对称结构的旋转过程振动行为的一门科学。例如在发动机、电机转子、光盘驱动器和涡轮机这些设备。通过研究惯性对结构的影响可以改进设计并且可以降低失效的概率。目前，机器向高速、大功率方向发展，工程应用过程中需要准确预测转子的行为，因而，转子动力学有着极强的工程应用背景，其相关的研究工作也越来越受到人们的重视。而对本文所涉及的转子动力特性这方面的微观研究，也

25、有一些学者有详细的阐述。如我国著名学者何衍宗, 王正等人所著的转子动力学15一书，就详细对高速电机的转子轴承这方面有具体而细微的结构分析和计算，其内容比较系统完整。与这类著作相似的还有顾家柳, 夏松波等编的高等转子动力学理论、技术与应用16一书，和刘恒等著的轴承转子动力学17一书，这三本书可谓异曲同工，都是从轴承的角度来深入系统的分析转子各种临界转速、振型等各种计算方法，具有很强的实践应用性，是研究这方面的权威代表。另外还有王正在Riccati传递矩阵法的奇点及其消除方法. 振动与冲击18一文中提出了独特的消除奇点的方法，让人耳目一新，而于慎波在运用双重步QR等方法来解决丢根等问题19。其内容

26、严谨，方法可靠，为转子学的研究提供了很好的研究视角。除此之外，还有肖黎, 张咏梅的大型水轮发电机组横向振动的有限元分析20一文，在计算模型和升速试验等方面为我们做出了有益的探讨和研究。我国对非线性转子动力学的系统研究是从上世纪90年代开始的，其中孟光、陈予恕都做较深入的研究。黄文虎发表了非线性转子动力学综述，较全面地总结了国内外研究非线性转子动力学的有关文章，包括非线性转子动力学研究方法、数值积分方法、高维非线性动力学问题的降维求解、转子非线性动力学机理及实验研究等。近几年有关转子非线性动力学的研究也很热，荆建平用有限元法与Newmark方法相结合分析不平衡条件下转子轴承系统的动态响应，与模态

27、叠加法比较表明模态叠加法更多的模态被缩减产生误差，直接积分方法更精确实用。另外，在我国各大高校的研究中，也有许多的硕博士论文涉及到高速永磁电机这一领域，沈阳工业大学王天煜在他的博士论文高速永磁电机转子综合设计方法及动力学特性的研究中就从六个方面来研究这一问题。作者针对高速电机中的三个重要的部分进行深入的分析，他从转子的强度、动力学特性和转子的结构综合设计入手，对高速电机的运转中关键的地方进行论析。同时作者还利用有限元非线性接触方法建立起了护套和永磁体轴对称的模型，最后还对高速电机进行了实验性的研究，可以理论与实践相结合进行，可靠性较高。另有浙江大学的郝鹤，他在博士论文高速永磁无刷电机多场综合分

28、析及无位置传感器控制中，以表贴式的高速电机作为研究对象，对主要影响该电机的几大因素进行展开研究。其中包括定子裂比、永磁体材料的选择和转子结构形式等方面，以多场交叉分析法进行分析，文章最后设计制造了样机系统，并对其进行实验论证，结果稳定可靠。以上两篇的博士论文都受到不同程度的国家自然资金的支持，因此实用性较强。另外几篇的硕士论文有沈阳工业大学王兴佳的永磁高速无刷直流电动机设计与分析、大连理工大学曲准德的高速永磁无刷电动机的设计研究、沈阳工业大学方程的高速永磁电机转子特性分析及结构优化设计、广东工业大学肖江成的硕士论文超高速永磁无刷直流电机的设计与分析都是围绕着各自特定的高速电机进行相关的设计与分

29、析研究。主要是从电机的关键环节和结构特性进行分析。但是由于文章理论水平有限，所以未能提出一个比较有创建的研究结果。总体上而言，以上这些论文的确能够一定程度上帮助我们在高速电机的研发和设计上做出一定的学理贡献。但是，由于对高速电机的研究是一个系统且复杂，需要大量的资金、物力和人力的投入才会稍微有些突破性的进展，更是需要长时间的投入。所以不是一两篇文章就可以有什么重要贡献的。从这个角度看，也就不会对这些文章太过苛求。但是他们确实为我国的高速电机的学理性研究作出了自己的努力和奋斗，这种精神是值得肯定的，通过以上的简要回顾，我们就会发现，我国注重发展高速电机具有重要的现实意义和理论意义。因此研究永磁无

30、刷电机是十分必要的,同时设备上的电机因为转速要求很高,因此研究高速永磁无刷电机也是极其重要的。从目前的发展看,永磁无刷电机已经在所有电机中脱颖而出,其优良的特性已经征服了所有电机使用者。当然，我国在高速电机的设计技术瓶颈方面还存在着三方面的问题：一是对电机本体的设计，我国研究明显不足，很多产品不符合使用要求，二是对电机的控制技术有明显的缺乏，三是即使设计出电机后，也无法量化生产，没有具备这种生产条件。虽然，在改革开放的几十年发展中，我国的机床技术已经有成熟的进展，但是总体上看，我国的这方面的基础技术仍然比较落后，还无法满足国家高速发展的技术要求，因此对高速永磁无刷电机的深入研发是具有十分重要的

31、时代意义。本文正是着眼于这个历史需要和时代价值，在前人的大量的研究基础上，试图对这一问题进行探讨，以期能够对高速永磁无刷电机转子轴动力学特性及其结构优化提出一些可取的建议和方法，为我国的高速永磁无刷电机的研究作出一点努力。如瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院研制出高速热发电机,功率为110kw,转速为70000r/min21其中的转子结构如图1.2所示：1.3 高速永磁无刷电机的系统发展现状在高科技的带领下，计算机的发展技术已经越来越成熟和高端，并发展出了电磁场数值计算法和许多的优化设计的方法。这些方法都在被不断的运用到电机的制造中。目前，在电机方面，已经有了一套比较成熟可靠的分析研究方法，其内容主要

32、包括了电磁场数值计算、等效磁路解析求解以及场路结合等方式。它们在计算机的辅助作用下就能够起到很好的计算效果。如Ansoft公司、MagneForce公司、Jmag公司均推出各种类型的电机设计软件，以方便快捷地完成从电机的电磁设计计算、损耗计算、优化设计、噪声抑制、特性分析等。针对无刷电机特点，提供多种转子类型、多种绕组型式及主电路的连接方式，以便组合。以上这些新兴的软件不仅能够把电磁的设计应用在电机的设计中，而且对电机的槽型、材料等许多的变量都有很大的帮助。通过精确计算电磁场能够实现电机的优化设计，这种优化包括了对电路的控制等各种设计流程。既可以提供任意时刻电机内电磁场分布数据，又能对电机工作

33、时所关心的各类运行曲线，如转矩、转速、电流、功率、效率等提供结果，同时还能提供齿槽转矩、转矩脉动、转速波动等详细指标参数，并可完成电机的各类正常工况和故障工况的仿真实验，包括起动、堵转、突加突减负载、突然短路等等。目前在电机的结构设计中，开始大量的运用所谓的分数槽绕组技术。如在电动自行车电机中采用三相、40极、36槽；对于多极的无刷电动机采用分数槽绕组，可以较少的定子槽数达到多槽能达到的效果。采用分数槽绕组有以下优点：一是，电枢槽数的减少使得槽的利用程度得到提升，二是在元件数的使用上减少了数量，直接使得成本降低。三是槽数的减少意味着电阻的减少，那么铜的损耗也相应减少，这就使得电机的性能得到了提

34、高。在以上的发展趋势外，又开始出现了电机的无槽、无铁心结构。这种新型的结构主要是采用一种新型的材料并配合上新型的工艺而融合的结果。电枢的耐热性逐渐增强，使得电机能够适应高温环境下的作业，就是即使温度很高，但是电机的耐热性能够使得正常运行。另外，由于无铁心结构的电枢使用，消除了转矩波动，优化了电机的控制性能。大大提升了电机的运行效率，扩大了转速的范围。而且这种结构还可以降低噪音和振动，负面影响较小。而无铁心的无刷电机一般有轴向和径向磁场结构这两种。前者主要是遵循着一定的发展规律进行分布，主要用于专用的模具中进行固化成型。在它的电枢的两旁都是盘状的转子体，转子磁体为轴向磁化，两侧转子可同时布置永磁

35、体磁极及转子轭，成双励磁转子结构，也可一侧布置永磁体磁极而另一侧布置转子磁轭，成单励磁转子结构。径向磁场结构电机的电枢绕组轴向按一定规律分布成筒状，其电枢内、外圆处均为筒状转子体，转子磁极为径向磁化，内、外圆可同时布置永磁体磁极及转子轭，成双励磁转子结构，也可在其中一个圆周上布置永磁体磁极，而另一圆周上只布置转子磁轭，成单励磁转子结构。径向磁场结构和轴向磁场结构均可根据要求制造成内转子和外转子结构。图11为径向磁场结构的无铁心无刷电动机典型结构。1.4 选题研究的内容、目的及方法 高速永磁无刷电动机具有很高的功率密度,效率高的特点,在航天航空、军事等领域都有着极其重要的意义,以此对高速永磁无刷

36、电机的研究,是十分必要的。为此本文将从以下几个方面来对选题进行研究：（1）通过对高速永磁无刷电机的结构特征和工作机理进行分析，考虑建立转子偏心和不平衡磁拉力在内的高速永磁无刷电机动力学模型；（2）基于Ansys Rotor dynamics有限元分析仿真平台，建立高速永磁无刷电机转子系统的有限元模型，分析考虑转子偏心和不平衡磁拉力状态下的动态特性； （3）将有限元分析和响应面法相结合,引入到电机转子结构的优化设计过程，分析电机轴系多结构尺寸对电机转子动力学特性影响的敏感性，建立电机转子结构优化的响应面特征。本文研究的具体技术路线如下图所示：本文试图通过这几个方面的研究，来克服以下几个问题：（1

37、）建立考虑转子偏心和不平衡磁拉力在内的高速永磁无刷电机动力学模型；（2）通过对该类型电机转子系统动力学模型进行有限元分析，确定转子系统的动态特性；（3）响应面优化分析过程中,如何通过有限元分析结果获取优化参数的合理范围。 1.5论文框架所以本文在行文结构上主要从五个方面进行阐述相关问题：第1章 ：概述选题的背景、意义、以及当前的研究概况以及本选题的内容和目的，方法。本文通过回顾高速电机研究的历史和现实的需要，认为研究高速电机对我国的意义十分重大。任何一种学科都是理论先行，然后才有实践跟上。而 高速电机作为一个十分具有技术含量的领域，需要对此做大量的研究性探讨，这样在真正的设计和研发时才会将损失

38、降到最低。 第二章：首先通过对高速永磁无刷电机的本体结构、工作机理两个方面的探讨分析，来整体上把握高速永磁无刷电机的结构特点，为考虑建立转子偏心和不平衡磁拉力在内的高速永磁无刷电机动力学模型奠定基础。这部分主要针对高速永磁无刷电机这个研究对象进行研究分析。研究发现，这个电机类型在进行设计时需要注意四个方面的要求：一是电机的电磁性能，一是电机的机械性能，一是电机的散热性能，一个就是它的转子结构。这四方面对电机都意义非常。本体结构主要包括有高速电机的主体本身，转子结构、传感器和定子。这四个部分相互关联，任何一个受到阻碍都会影响整个电机的运行和安全。 第三章：在第二章的基础上，对高速电机的材料构成进

39、行分析，并且基于Ansys Rotor dynamics有限元分析仿真平台，建立高速永磁无刷电机转子系统的有限元模型，分析考虑转子偏心和不平衡磁拉力状态下的动态特性。文中指明，这材料主要有三种，分别是永磁体、轴承、转子系统这三个是构成了电机运转的主体结构。而在具备了这三个重要的结构之后，高速电机的运行还在很大程度上受到动力特性的影响。在动力特性的相关内容中，最为关键的就是转子的不平衡响应和转子的临界转速的计算。这两个几乎决定了高速电机动力性性能的高低。由于这种不平衡性受离心力的影响较大，所以在运行时更多的要考虑到离心力的作用。 第四章：将有限元分析和响应面法相结合,对高速电机的转子强度进行分析

40、。 文中分析指出，高速电机在运行中会受到离心力与磁拉力的双重作用，所以需要采取相应的保护措施以避免高速电机的损耗。那么为了将这种损耗降到最低，需要采取强度比较高的转子结构，以此来消除高速旋转产生的铜损耗和铁损耗的问题。这就需要考虑到转子的永磁体保护等保护措施能否在高温和强大离心力的作用下的转子强度能否不受影响而正常运行。而通过有限元的接触应力分析来观察高速永磁转子的强度能够保证高速电机的高速运转而不受到干扰和损害。通过介绍有限元的相关概念以及有限元的解决方法，并引用此方法来对转子结构的强度进行分析，对不同状态下的转子强度都做了分析探讨。 第五章：对高速电机的转子优化设计进行分析探讨。由于本篇文

41、章的篇幅所限，以及作者本身的水平和能力所致，未能非常深入而科学的把握这种优化设计的整个流程，也没有制作出相应的模型样机来。所以本章就只是对优化设计的相关内容和方法以及具体的应用作出简要的讨论和分析，这个遗憾有待来日再努力。 第二章 高速永磁无刷电机的本体结构与工作原理 由于不同的供电方式会有不同的电动机。目前在高速永磁电机的使用领域中主要是有两种的电动机，一是交流同步电动机，另外一个是无刷直流电动机。前者是使用正弦交流供电模式，其转速的快慢与电机的供电电流的频率息息相关。由于该种电机在负载出现不可测的扰动时，该种电动机就会出现失步现象，有时候甚至会导致整个转子系统的瘫痪。后者的电机转速快慢与方

42、波电流控制电路的开关有关，所以有效避免了交流同步电动机的失步现象，因此就不会存在这种使得转子系统处于瘫痪的风险。因为它的磁场是靠方波磁场来供应。不过这种电动机的问题是存在着较大的铁心的损耗，铁心的损耗无疑会大大降低了电动机的工作效率。有鉴于此，本文在选择时主要的研究对象就是直流电机。2.1 高速永磁无刷直流电机的设计要求高速永磁无刷直流电机的设计需要遵循一系列的原则，特别是由于电机的转速不高，所以，相关研究人员在进行设计时主要是注重电磁性能。在确定好电磁的设计原则后，设计研究人员就会依据相关的磁性原理来设计高速永磁无刷电机的机械结构以及其他的轴承等等。但是由于高速电机在高速旋转中会有强大的离心

43、力和磁拉力的作用，所以，在高速电机中需要设置一定程度的保护套。此外，高速电机在运行中电频率高以及功率密度高等具体特点，对此就对高速电机的电磁性的标准有更高的要求，另外还有机械性能等都需要达到安全的要求。不过，在高速电机的运行中高速电机的这两种性能又是可以相互制约的。所以，在进行高速电机的设计时需要考虑到这几个方面的内容。首要的就是电磁性能的要求。首先需要对高速电机的定转子本身的电磁参数进行优化，这主要是能够满足高速电机的功率和其效率的需要。目前能够有效这种电磁性能的主要有几种方法：（1）在选择轴材料时，需要首要选择那些导磁性能较好的。因为导磁性比较好的轴材料才能够使高速电机的运行更有保障。（2

44、）通过电机匝数的增加来提高电磁性能。不过如果增加了电机的匝数，那么就不可避免的要面对电机线负荷的增加的情况，这种负荷的承载无形中会使得定子的温度会升高。（3）从电机的临界转速的角度来考虑的话，还可以适当增加转子中永磁体的计算长度。其次，需要考虑到高速电机的机械性能。高速电机的机械性能主要是指高速电机的强度来讲的。因为高速电机在运行中，是处于一种高速旋转的状态，转子系统的整个结构和零部件都处在高速的旋转中，其中的离心力和磁拉力都在起作用，所以，这就对高速电机的转子构成部件的强度和硬度做出严格的要求。如果没有过硬的强度，那么在高速电机的高速旋转中可能就会出现系统崩坏或者是某个零部件损耗过度而造成的

45、严重事故。所以，需要对转子的各个零部件进行严格筛选，特别是转轴、永磁体以及其保护套这一类的重要部件，均要保证它们的强度。只有有了强度的保证才能够保证电机在高速运作时安全而不会发生损坏现象。而且这种安全性必须比达标高出两倍左右。第三需要重点考虑的就是电机本身所具有的散热性能。由于高速电机在高速旋转时会产生巨大的摩擦力，而且有些高速电机会处于长时段的高速旋转中，产生出很大的热量，如果没有及时将这些热量进行有效的排出，那么就会很容易造成其他零部件因为热度过高而被损伤的现象。所以，在高速电机的设计中非常需要注重这个电机的散热系统，以对高速电机的温度进行严格的限制和控制。第四个需要注重就是对定转子的结构

46、设置。在高速电机的设置中，通常会采用1对极或者是2对极的转子结构。如果使用的时中等以下级别的高速电机时，且它们的转速在每分钟五万转以上，这时候如果采用了2对极结构的转子结构，那么很容易造成定转子的损耗，而芯片的损耗也会增大很多，这样最终使得高速电机使用寿命不长。所以，只能采用1对极的转子结构。当电机转子采用1对极结构时,电机定子通常可以采用3槽、6槽、12槽、24槽等槽数。从以上的分析可以看见，对高速电机进行设计时，需要注意以上几方面的问题。2.2 高速永磁无刷直流电机的本体结构 高速永磁无刷直流电动机的控制系统不是非常的复杂。它主要包括这些内容：逆变器、位置传感器、控制器、电源，除此之外就是

47、高速电机主体本身。这几个内容彼此间是互相关联的，这会促使无刷电机的控制比其他的更加准确，这个系统的运行结构如下图所示： 首先在这种电机的结构中需要考虑的就是高速永磁无刷电动机的定子。作为与普通同类型的电机的不同之处，高速永磁直流电机的定子有三种的结构，分别是整数槽结构、分数槽结构和无槽结构。所谓的整数槽乃是指定子的每极每相槽数为整数，其中这种结构又可以分为单双层的绕组结构。如果采用单层的话，优点是可以有效提高电机效率，但是电机的损耗比较高，反之，如果采用双层结构那么，电机的性能则提高的比较好。不过绕组的利用率相应的变低了。可以说，这二者各有利弊。这是采用整数槽的定子结构。如果是采用无槽结构的话

48、，由于其消极后果比较大，所以采用此种结构的比较少。 其次要考虑的就是该种电机的转子结构。高速永磁无刷电机的转子结构共有两种，一是贴面式结构，一个则是内置式结构。其中后者的结构比较复杂，它由于不同的充磁方式，又可以细分为径向充磁和切向充磁这两种结构。所以，通常情况下，这种电机都是采用内置式的永磁体结构。但是在面对高温所导致的退磁现象时，内置式的永磁体结构就会显出它的弱点，因为它是内置式的，所以在需要补充磁性的时候比较困难。就不像贴面式结构的转子那么便利。 第三个就是电机中的位置传感器。虽然这种位置传感器在高速电机中会占用一定的体积，但是这种传感器对控制系统十分重要，因为它可以有效的实现对电机的控

49、制。永磁无刷电机运行需要获得转子位置信号,转子位置信号一般由位置传感器提供,如旋转变压器、光电编码器、磁编码器、霍尔位置传感器等。然而高速电机由于转轴的转速高,上述位置传感器很难在高转速下可靠运行,因此,高速永磁无刷电机通常采用无位置传感器控制策略。可见，这一个部件是不可省略的。这种位置传感器主要是用来检测转子的运转位置的，根据转子旋转的位置适时的对电机进行控制。这对电机的正常运转十分有益处。这种传感器主要有磁敏式与光电式和电磁式三种形式。这三种形式的传感器各有优劣之处，但是目前比较常用的就是第一种。最后一个结构就是逆变器。在高速永磁电机中，逆变器的作用是很重要的。它主要用来根据转子位置的信号

50、来控制电机，是电机控制系统的重要组成部分。从以上的四个方面分析来看，高速永磁无刷直流电机的结构比较简单，而且运用起来相对比较方便，在具体的使用中也比较普遍。2.3 高速永磁无刷直流电机的工作原理 无论时哪一种的高速电机，都有它独特的运行工作原理。照例，高速永磁无刷直流电机的工作原理与有刷直流电机的运行原理并没有太大的差别。但是不同的是有刷直流电机将永磁体安装在了定子上，而不是转子上面。所以在气隙内部会产生出励磁磁场，根据洛伦兹定理的计算方式，可知当电流在电枢导体中流动时，每一根的通电导体都会受到来自永磁体的洛伦兹力，而可以通过以下的计算公式来进行计算： F=KBLi，在这个简单的公式中，F代表

51、是电磁力，K是一个常数，B则是电机的气隙磁密，L是电枢线圈的长度，i则是线圈导体电流。根据这个公式，我们可以得出整个线圈电枢绕组的洛伦兹力是：F=KBLNi,在这个公式中的N时线圈串联导体匝数。而电机的整个转子所受到的这种洛伦兹力产生的电磁转矩主要以转子圆心作为圆心，半径为力臂的转矩，这种公式为：T=KRBLNi,其中的R是指线圈到转子圆心的距离。 在永磁有刷电机中由于电枢绕组时由多个线圈组成的，而相邻线圈位移角的大小则是根据线圈缠绕方式来决定的，所以一旦电机开始旋转，受同一磁极的影响，虽然线圈导体在不断的更替，但是其下的电流却始终保持同一。这主要是由于有刷电机中的电刷与换向器的换向功能所决定

52、的。以上这种工作原理就是有刷电机的工作原理，而前面已经说过，无刷电机的运转原理与此相类似。无刷直流电机电枢绕组在定子上,通过控制器使通入的直流电转换为多相的方波交流电,定子磁场以n=60刀p的速度旋转转子通过永磁体励磁,转子永磁体产生磁通与定子绕组磁通交链成转矩,并随着定子磁场同步速旋转其设计重点为将电机气隙磁场波形设计为正弦波无刷直流电动机没有电刷,所以不会存在电刷损坏等问题,并且其绕组是在定子上,通过机壳往外散出热量,相对有刷直流电机散热较好,并且体积较小，具有高效率,高调速范围等各种优点。2.4 高速永磁无刷直流电机的重要尺寸电机虽有许多的重要结构如转子系统、定子结构、永磁体等，但是电机

53、本身的主体性却是这一切的根本和基础。所以，对电机的尺寸设计也有很高的要求，因为电机的尺寸设计对电机的性能起着决定性的作用。其他的附属结构也是围绕着电机尺寸本身来发生作用。没有电机主体的尺寸，那么其他再关键的电机结构零件都无济于事。因为电机的尺寸大小直接影响着电机的转矩、功率、转子的转速等等，它们也都是围绕着电机来进行分工运作的。所以，可以说电机的尺寸就是一个电机的真正的灵魂。所以在对高速电机的尺寸选择上如果进行的比较科学，那么就不会导致浪费，从而能够很好的节约制造的成本，在技术上也相对容易些，此外，还可以有效的提高电机本身的运作性能，减少损耗，这对延长电机的寿命具有重要的意义。当电机的功率和额

54、定转速以及电机的电磁负荷确定后，电机的主要尺寸就可以根据以下公式进行确定了：在这个公式中，Da表示的是电机设计的钉子内径，而La则是指电机铁芯的轴向长度，ap是指极弧系数， nN是指额定转速，A是电机的电负荷值，B&指的是电机磁场的气隙磁密，kw1是样机的电枢绕组系数，P是设计样机的计算功率。知道了以上每个所代表的意思之后，我们就可以根据此公式进行计算。综上所述，高速电机的本体结构主要包括：逆变器、位置传感器、控制器、电源，除此之外就是高速电机主体本身。而这几个结构又是处在一个整体的连接中，一环扣一环，紧密相连。所以对这每一部分的材料选择和结构安排都不能马虎。另外，高速电机的工作原理与有刷直流

55、电机的工作原理相类似，并无太多不同之处。但是如果忽略了电机主体的尺寸，那么将会给高速电机带来巨大的损害，因为尺寸决定了高速电机的硬件功能，所以需要结合其尺寸来进行研究。第三章 高速永磁无刷电机的材料构成与动力学特性分析3.1 高速永磁无刷电机的材料构成 与传统的电机运行相比，高速永磁无刷电机在高速运行情形下，由于会产生巨大的转子离心力，特别是当线速度达到极致时，传统的叠片转子无法在如此高速旋转的离心力影响之下还能够正常继续运行，会发生偏离或者损坏的现象。为了能够克服传统电机在这方面的缺陷，在对电机的理论设计和控制技术这些环节上具有很高的要求。而高速永磁电机之所以能够在如此高速旋转的巨大离心状态

56、下还能够顺畅运行，主要是靠特殊的材料构成，如高强度的叠片或者是采用实心转子技术。普通那种烧结的永磁材料无法承受这种离心力，所以，在永磁上面还需要做出一定的规避措施。高速永磁无刷直流电动机的结构与调速永磁同步电机的结构基本类似,如图所示：所以在无刷电机的材料构成上，首先需要注意的就是对永磁体采取相应的保护措施。永磁是一种有别于传统的一种材料，从外部特征来看几乎与普通的永磁无异，但是由于它本身具备了其他永磁材料根本无法具备的特性和性能而受到广泛的运用。在高速电机中使用的永磁材料主要是由烧结钕铁硼构成的。它只能承受一定的压应力而无法承受拉应力，所以对这种永磁体就需要在外围部分进行高强度的保护。永磁体

57、与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转离心力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力，从而保证永磁转子的安全运行。目前，通常采用的保护方法主要有这两种：一种是在其外围使用高强度性质的非导磁护套，另外一种就采用所谓的碳纤维绑扎，但是这二者各有利弊，并不是十全十美的保护措施，但是通过这两种的保护措施都能够让永磁体得到最大限度的损耗。 其次，在无刷电机的材料构成中，轴承是非常关键的。因为轴承的承压力和结构稳定性如何，就决定了高速电机在运转过程中是否能够正常运行。平时所用的轴承在高速电机的使用中不会有太长的使用时间，因为高速电机每天要运转上百万次，普通轴承根本经不

58、住这种高速运转。所以，在高速电机中一般是使用非机械式的接触式轴承，其使用形式有三种，主要是充油性、空气性、磁悬浮性的轴承。这三类的轴承各有千秋。所谓的充油轴承是指在电机内部的转动体外围形成一种油膜，这需要油在里面进行循环才能够工作。但是由于转轴本身的密封性不好，所以漏油量比较大，因此在电机的转轴使用中不太普及。第二种的空气轴承是指在原先油膜的位置以压缩过的空气作为代替，而解决了所谓的漏油问题，相对而言，漏气还是比较好解决的。但是由于空气力量有限，所以无法承受对转子所产生的压力，加上空气是属于易流动的，所以在轴承的性能设计上要求很高。而第三种的磁悬浮轴承主要是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，不存在前两者所存在的问题，在高速电机中应用较多。第三，在高