高速电机设计与优化技术报告

2025-02-10 18:05

引言

随着电动汽车、航空航天、工业自动化等领域的快速发展，高速电机作为一种高效、高功率密度的动力装置，逐渐成为研究的热点。高速电机具有体积小、功率密度大、效率高等优点，广泛应用于高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、燃料电池、天然气输送高速离心压缩机等领域。然而，高速电机在设计和制造过程中面临着诸多挑战，如转子强度、动力学设计、冷却系统设计、轴承选择等问题。本文结合多篇技术文献，对高速电机的设计重点、优化方法及未来发展趋势进行详细探讨。

1. 高速电机的发展现状

1.1 高速电机的定义与特点

高速电机通常指转速超过10000 r/min或难度值（转速和功率平方根的乘积）超过1×10^5的电机。高速电机的主要特点是转子速度高、定子绕组电流和铁心中磁通频率高、功率密度和损耗密度大。这些特点决定了高速电机具有不同于常速电机的关键技术与设计方法。小米SU7_Ultra_V8s超级双电机，峰值转速更是高达27200r/min。

1.2 高速电机的类型

目前应用于高速领域的电机类型主要有感应电机、永磁电机、开关磁阻电机以及爪极电机。每种电机类型又有不同的拓扑结构。感应电机转子结构简单、转动惯量低，能在高温和高速条件下长时间运行；永磁电机具有效率和功率因数高、转速范围大等优点；开关磁阻电机结构简单、坚固耐用、成本低廉且耐高温；爪极电机则因其结构简单、成本低而受到关注。

1.3 国内外高速电机的发展现状

国内外对高速电机的研究已取得显著进展。国外在高速电机的产业化方面具有较大优势，尤其是在大功率和超高速电机的研发上。国内的研究多集中在中小功率和较低转速的范围内，与国外尚有较大差距。然而，随着国内对高速电机需求的增加，相关研究也在逐步深入。

2. 高速电机的设计重点

2.1 转子结构设计

高速电机的转子速度通常高于10000 r/min，在高速旋转时，常规叠片转子难以承受巨大的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子结构。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转子高速旋转产生的拉应力，必须对永磁体采取保护措施。

2.1.1 笼型转子

笼型转子通常采用闭口槽结构，闭口槽类型主要有圆形槽、水滴槽和平行槽。圆形槽的优势在于对转子铁心上应力的分布影响较小，可保证转子具有较高的机械强度，但转子齿磁通密度易产生局部过大，导条电流密度过高，转子铜耗较大。水滴槽和平行槽则能有效减小转子齿磁通密度，同时增大导条面积，减小导条上的电流密度，具有较小的转子铜耗，但机械强度低于圆形槽。

2.1.2 实心转子

实心转子高速感应电机有实心钢转子、开槽实心转子、铜屏蔽转子和笼型实心转子四种结构。实心钢转子结构和铜屏蔽转子结构的转子强度较好，但实心钢转子结构的转子涡流损耗最大，开槽实心转子次之；铜屏蔽转子和笼型实心转子因为在转子材料中有铜导体，能够减小一部分涡流损耗。

2.1.3 永磁转子

永磁转子常用的永磁体材料主要有NdFeB和SmCo。NdFeB材料的剩磁密度和矫顽力较大，但易受温度影响；SmCo材料的剩磁密度较小，受温度影响较小，但抗拉强度小。内置式永磁转子多采用永磁体分段，并在永磁体段间设置加强筋的结构，以改善传统内置式永磁转子结构在高速运行时易在隔磁桥处应力过大的问题。

2.2 定子结构设计

高速电机的定子结构设计主要包括极数、槽数、铁心材料和定子绕组的设计。

2.2.1 极数

高速电机一般设计为2极或4极。2极电机的定子绕组端部较长、铁心轭部较厚，但定子电流和铁心中磁场的交变频率较低，有利于降低高频附加损耗；4极电机的定子绕组端部较短，铁心轭部较薄，但定子绕组电流和铁心中磁场的交变频率较高。

2.2.2 槽数

槽数有多槽、少槽和无槽三种方案可选择。无槽方案不产生高频齿谐波磁场，对减小转子涡流损耗十分有利，但气隙较大，永磁体产生的气隙磁通密度小，永磁材料利用率低；少槽方案气隙磁通密度谐波幅值大，转子涡流损耗大；多槽方案既可获得较高的气隙磁通密度，提高材料利用率，又不会产生过大的转子涡流损耗。

2.2.3 铁心材料

高速电机频率高，高频下的定子铁心将产生较大的铁耗。通过合理选取定子铁心材料，可有效降低定子损耗，提高电机的电磁性能。常用的铁心材料包括硅钢片、钴钢片、软磁复合材料（SMC）和非晶合金材料。非晶合金材料的单位铁耗远小于其他材料，但饱和磁感应强度较低，适用于铁心磁通密度较低的高速电机。

2.2.4 定子绕组

传统定子绕组端部较长，增加了转子的轴向长度，从而降低了转子系统的刚度。环型绕组结构可有效缩短定子绕组端部长度，但线圈嵌线工艺较复杂。高速电机频率较高，会在定子绕组的导体中产生较大的趋肤效应和邻近效应，从而造成附加损耗。为了降低定子绕组中的损耗，定子绕组须采用许多根较小直径的细导线并联绕制。

2.3 转子系统的动力学设计与轴承设计

2.3.1 转子系统动力学设计

转子动力学设计是高速旋转机械设计的重要内容。转子旋转时，转子的质量中心和回转中心总会有一定的偏差，使转子产生周期性的离心干扰力，使得转子的偏心进一步增加，转子振动的幅度进一步增大。当转子的转速与转子的临界转速接近时，转子将会发生剧烈的弯曲振动，引起整个机组振动，严重时甚至使得转子遭到破坏。

2.3.2 轴承设计

高速电机的安全稳定运行与轴承可靠性密不可分。目前在高速电机中应用的轴承主要有滚珠轴承、充油轴承、空气轴承和磁悬浮轴承。磁悬浮轴承可实现主动控制，可在整个转速范围内调节轴系的动态性能，完全无接触，不需要润滑，使用寿命长，这些优点使磁悬浮轴承在高速电机领域具有广阔的应用前景。

2.4 冷却系统设计

高速电机的功率密度和损耗密度较大，设计良好的冷却系统、降低电机温升是高速电机设计的又一关键技术。常用的冷却方式包括自然冷却、强迫风冷、水冷、油冷和油水混合冷却。大功率高速电机多采用槽内风冷与机壳水冷相结合的冷却结构。

3. 高速电机的优化设计

3.1 基于田口法的转子结构优化

田口法是一种提高产品品质的试验方法，广泛应用于多目标、多变量的优化设计中。通过田口法，可以有效地降低试验次数，找到最优的参数组合。在高速电机的转子结构优化中，田口法可用于优化极弧系数、永磁体夹角、隔磁桥宽度和连接筋厚度等参数，以降低转矩脉动和齿槽转矩。

3.2 转子冲片强度优化

高速电机的转子冲片在高速旋转时承受巨大的离心力，容易发生形变甚至损坏。通过有限元分析，可以对转子冲片的结构进行优化，降低冲片应力，提高转子的机械强度。优化措施包括增加隔磁桥厚度和数量、优化转子内径和过渡曲线等。

3.3 温度场分析

高速电机在运行过程中会产生大量的热量，若不及时散热，会导致电机温升过高，影响电机的性能和寿命。通过温度场分析，可以了解电机各部分的温度分布，优化冷却系统设计，降低电机温升。

4. 高速电机面临的问题及发展趋势

4.1 高速电机面临的问题

多物理场耦合设计：高速电机的设计是一个多物理场和多学科交叉的综合设计过程，基于电磁场、应力场、转子动力学、流体场与温度场等多物理场耦合方法来分析高速电机的技术尚不成熟。

高速轴承问题：滚珠轴承不能承受过高的转速，充油轴承系统庞大且在高速旋转时易发生漏油问题，空气轴承承载负载能力有限，磁悬浮轴承控制复杂、价格昂贵。

大功率高速电机的控制系统：大功率高速电机功率变换系统、控制系统与控制策略、实时监测系统的研发还很薄弱；大功率高速电机的转子动力学设计技术有待完善；高速电机的加工工艺复杂，距离产业化的要求还很远。

定转子损耗：定转子损耗的理论分析、计算方法以及实验验证等方面有待进一步研究；大功率高速永磁电机多采用风冷和水冷相结合的冷却方式，冷却结构复杂，冷却效果有限。

永磁材料问题：永磁体抗拉强度低、耐温能力差制约着高速永磁电机向超高速和大功率方向发展，研发更高抗拉强度和更高耐温水平的永磁材料对高速电机的发展具有重要意义。

4.2 高速电机的发展趋势

大功率高速电机和超高速高速电机的关键问题研究：随着电动汽车、航空航天等领域对高功率密度电机的需求增加，大功率高速电机和超高速高速电机的研究将成为未来的重点。

基于多物理场和多学科的耦合设计：高速电机的设计需要综合考虑电磁场、应力场、转子动力学、流体场与温度场等多物理场的耦合，未来的研究将更加注重多学科的协同设计。

高强度与高耐温能力的永磁材料：研发更高抗拉强度和更高耐温水平的永磁材料，将有助于提高高速电机的性能和可靠性。

高强度转子叠片材料和结构的研究：常规叠片转子不能承受较大的离心力，实心转子存在较大的涡流损耗，需要对新型高强度转子叠片材料和结构进行深入研究。

高速轴承的应用：不同功率和转速等级下高速轴承的应用研究将有助于提高高速电机的可靠性和寿命。

良好散热系统的设计：随着电机功率密度的提高，散热系统的设计将变得更加重要，未来的研究将更加注重散热系统的优化和创新。

高速电机控制系统的研制：高速电机的控制系统需要具备高精度、高响应的特点，未来的研究将更加注重控制系统的优化和创新。

结论

高速电机作为一种高效、高功率密度的动力装置，在电动汽车、航空航天、工业自动化等领域具有广泛的应用前景。然而，高速电机在设计和制造过程中面临着诸多挑战，如转子强度、动力学设计、冷却系统设计、轴承选择等问题。通过多物理场耦合设计、田口法优化、转子冲片强度优化和温度场分析等方法，可以有效提高高速电机的性能和可靠性。未来的研究将更加注重大功率高速电机和超高速高速电机的关键问题研究、高强度与高耐温能力的永磁材料研发、高速轴承的应用以及良好散热系统的设计。随着技术的不断进步，高速电机将在更多领域发挥重要作用，推动相关行业的发展。