摘要
与传统的常速电机加齿轮箱拖动高速负载的方法相比，采用高速电机直接驱动高速负载的方式能够省去中间传递环节，有利于提高功率密度和运行效率，因此高速电机在飞轮储能、高速压缩机等诸多领域得到广泛的应用，具有良好的发展前景。 本文首先介绍了高速电机发展背景、目前面临的问题以及发展趋势，然后围绕电磁设计、损耗计算、冷却系统设计、温度场计算以及转子应力分析这几个方面对一台30kW、30000dmin风机用高速永磁同步电机进行设计和分析。 本文首先对高速永磁同步电机的定转子尺寸和结构进行设计，借助2D有限元法探究定子主要尺寸、气隙厚度、转子外径、各部件材料选择、极槽配合、永磁体结构、充磁方式等因素对电机电磁性能的影响。基于分析结果，完成对30kW、30000r/min高速永磁同步电机的电磁设计，并运用有限元法对该电机的空载、负载特性进行仿真计算。 高速电机中的损耗主要包括:定子铁耗、绕组铜耗、转子涡流损耗和风摩损耗。本文介绍了定子铁耗的形成机理和计算模型，运用该模型对所设计电机的铁耗进行计算;在计及高频因素导致的绕组集肤效应和邻近效应的影响下，采用解析法对高速电机绕组铜耗进行计算，并对采用Litz线的绕组铜耗抑制方法进行分析;考虑到公式法会有较大误差，本文采用有限元法计算电机的转子涡流损耗，并介绍了转子涡流损耗的抑制措施;对高速电机而言，风摩损耗同样不可忽略，本文采用解析法计算转子的风摩损耗，并对风摩损耗的影响因素和抑制措施进行研究。 本文采用计算流体力学(CFD)对本文所设计电机在额定运行状态下的各部件温度分布进行计算。在综合考虑各种冷却方式的优缺点后，采用定子外加冷却水道的方式对该电机进行冷却。本文研究了冷却水道的结构、水道圈数以及冷却水流速等因素对电机冷却效果的影响，然后在满足电机散热要求的基础上，完成对目标电机冷却系统的设计，最后对所设计电机的温度分布进行仿真计算。 对表贴式高速永磁同步电机的转子机械强度进行研究。永磁转子在高速运行时会承受较大的拉应力，而永磁体承受拉应力的能力有限，过大的拉应力将造成永磁体的损坏。出于电机安全稳定运行的考虑，在永磁体外侧加装高机械强度的护套对永磁体进行保护，护套与永磁体之间采用过盈装配。本文运用有限元法和解析法分别对高速永磁电机的转子应力分布进行计算，将两种计算方法的结果进行对比验证。本文采用有限元法研究护套材料、过盈量、电机温升、护套厚度等因素对转子应力分布的影响，根据分析结果对30kW、30000r/min高速永磁同步电机的转子保护方案进行设计。
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