针对高速永磁电机磁悬浮转子损耗与热分析的学术研究报告

本文旨在向国内相关领域的研究人员介绍一篇关于高速永磁电机磁悬浮转子热管理的重要研究成果。该研究由北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院的黄子渊、方继成（IEEE会员）、刘希泉和韩邦成共同完成，论文标题为“Loss calculation and thermal analysis of rotors supported by active magnetic bearings for high-speed permanent-magnet electrical machines”（《基于主动磁轴承支撑的高速永磁电机转子损耗计算与热分析》），发表于IEEE Transactions on Industrial Electronics期刊2016年4月第63卷第4期。

一、 研究的学术背景

本研究隶属于高功率密度电机设计与热管理领域，具体聚焦于高速永磁同步电机。高速电机因其高功率密度、体积小等优点，在工业领域（如压缩机、飞轮储能、高速主轴）具有广泛应用前景。然而，转速的提升带来了严峻的散热挑战，特别是对于采用主动磁轴承（Active Magnetic Bearings, AMBs）实现无接触悬浮的转子。由于转子与定子及壳体无物理接触，其散热途径单一，主要依靠气隙中的冷却空气对流换热。转子温升过高不仅会影响材料性能、降低运行可靠性，更可能导致永磁体发生不可逆退磁，是限制高速电机性能与寿命的关键因素之一。因此，对高速磁悬浮电机转子进行精确的损耗计算与热性能评估，对于优化冷却结构设计、提升电机效率与可靠性至关重要。本研究的核心目标，正是以一台100 kW、32,000 r/min（转/分钟）的高速永磁磁悬浮电机为具体研究对象，系统分析其转子的各类损耗（气动摩擦损耗、AMB铁芯损耗、电机涡流损耗），并在此基础上建立热分析模型，评估其温度分布，同时通过实验验证计算方法的准确性，为高速电机的冷却设计与效率提升提供理论依据和工程指导。

二、 详细研究流程

本研究遵循了从理论建模、仿真分析到实验验证的系统性研究流程，具体可分为以下几个主要步骤：

第一步：研究对象与损耗源建模 研究以一台100 kW、32,000 r/min、四极高速永磁磁悬浮电机为具体案例。转子由两个径向AMB和两个轴向AMB支撑，无额外机械轴承。定子铁芯采用0.2 mm低损耗硅钢片叠压而成，外部采用水冷套冷却；转子则通过气隙内的加压冷却空气进行强制对流冷却。研究首先明确了转子的三大主要损耗源：1) 转子气动摩擦损耗：由转子高速旋转时与周围气体摩擦产生；2) 主动磁轴承铁芯损耗：由AMB定子铁芯在高频交变磁场下的磁滞和涡流效应产生；3) 电机转子涡流损耗：由定子开槽效应、绕组磁动势谐波等在转子永磁体、护套和铝屏中感应产生。

第二步：各类损耗的详细计算 1. 气动摩擦损耗计算：采用基于旋转圆柱体理论的解析公式进行计算。研究详细考虑了转子表面粗糙度系数、轴向冷却气流速度、雷诺数（包括库埃特-雷诺数Reδ、叶尖雷诺数Re_r和轴向流动雷诺数Re_a）对摩擦系数的影响。计算公式涵盖了气隙区域、转子端面以及推力盘（thrust collar）等不同部位。研究特别分析了轴向冷却气流速度和表面粗糙度对总气动摩擦损耗的影响趋势。计算结果显示，推力盘产生的气动摩擦损耗占总损耗的很大比例，是优化的重点。 2. AMB铁芯损耗计算：采用基于Bertotti分离理论的铁损模型（公式12），将铁损分为磁滞损耗、经典涡流损耗和异常涡流损耗。通过拟合硅钢片（0.2 mm厚）的测试数据，确定了损耗系数（Kh=465, Kc=0.12, Ke=0.34）。根据AMB的工作频率（416 Hz）和峰值磁密（1.2 T），计算了左右两个径向AMB铁芯的损耗分别为92 W和146 W。 3. 转子涡流损耗计算：采用基于有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）的时步法（Time-Stepping FEA）进行计算。考虑到气隙空间谐波的影响，采用了场路耦合的有限元方法。建立了电机的二维或三维有限元模型，在额定转速和满载工况下进行瞬态电磁场仿真，提取转子护套、铝屏和永磁体中的涡流损耗分布。仿真得到的平均涡流损耗为320 W。

第三步：热分析模型建立与温度场仿真 将计算得到的各类损耗作为热源，转换为有限元热分析所需的边界条件：气动摩擦损耗作为面热流密度施加在转子相应表面；AMB铁损和电机涡流损耗作为体热生成率施加在相应的铁芯和转子部件（永磁体、护套）上。关键步骤是确定转子表面的对流换热系数： - 气隙区域：利用努塞尔数（Nusselt number）经验公式（公式16）计算，该公式关联了雷诺数和普朗特数（Prandtl number）。 - 推力盘表面和非气隙转子表面：分别采用基于旋转盘和旋转圆柱体的对流换热经验公式（公式17, 18）计算。 - 转子端面：采用另一经验公式（公式19）计算。 研究建立了包含转子所有部件（轴、永磁体、护套、推力盘等）的有限元热模型，并赋予各部件材料（如硅钢、钕铁硼、钛合金、不锈钢）相应的导热系数。设定了环境温度（22°C），并将上述计算得到的对流换热系数作为边界条件施加到转子外表面。通过稳态热分析，求解得到了仅考虑气动摩擦损耗、以及考虑全部三种损耗情况下的转子温度分布。

第四步：定子温度对转子热性能影响的耦合分析 为了评估定子铁芯温度升高对转子表面温度的影响，研究进行了流体-温度场的耦合仿真。建立了气隙区域的流体动力学与传热学耦合模型，分析了在有/无13.5 m/s加压冷却气流两种情况下，定子内表面温度对转子外表面温度的传递影响。仿真结果表明，当气隙内有充足冷却气流时，定子温度对转子温度的影响很小（出口处最大温升仅10 K）；若无冷却气流，转子表面温度将接近定子内表面温度。这证明了强制对流冷却的有效性。

第五步：实验验证 为了验证理论计算与仿真分析的准确性，研究搭建了实验平台进行测试。 1. 转子温升测量：采用两台相同的100 kW电机进行对拖实验（一台作电动机，一台作发电机）。使用非接触式红外测温仪测量转子表面（护套位置）的温度。实验在不同冷却条件下进行：a) 定子开水冷与不开水冷；b) 气隙通冷却空气与关闭冷却空气。在25,000 r/min、75 kW输入功率下运行1小时至热稳定后，测量得到转子护套位置的温升为65°C。 2. 损耗分离与气动摩擦损耗测量：由于直接测量气动摩擦损耗困难，研究采用损耗分离法间接获取。在电机空载状态下，用功率分析仪测量不同转速下的总输入功率（即总损耗）。总损耗可分解为与频率相关的铁损、与转速高次方相关的气动摩擦损耗，以及与转速无关的其他损耗（如绕组损耗、定子涡流损耗）。通过非线性最小二乘法拟合不同转速下的总损耗测量数据，分离出气动摩擦损耗的系数，从而得到气动摩擦损耗随转速变化的实验曲线，并与理论计算结果进行对比。

三、 主要研究结果

1. 损耗分析结果：

   • 气动摩擦损耗在高速下占总损耗的显著部分，且推力盘是其主要来源。计算表明，轴向冷却气流速度增大和转子表面粗糙度增加都会导致气动摩擦损耗急剧上升。
   • AMB铁芯损耗计算值左右分别为92 W和146 W。
   • 时步有限元分析预测的转子平均涡流损耗为320 W。

2. 温度场仿真结果：

   • 仅考虑气动摩擦损耗时，转子最高温度（89.9°C）出现在推力盘位置，护套温度可达68°C。
   • 综合考虑所有损耗后，在额定转速和100 kW输入功率下，转子最高温度可达105°C，出现在护套外表面。在25,000 r/min和75 kW条件下，护套表面最高温度为93°C，最大温升为71°C。结果表明，电机涡流损耗是转子的主要热源。

3. 耦合分析结果：流体-温度场耦合仿真证实，充足的气隙冷却气流能有效隔离定子温度对转子的影响，强调了强制风冷对转子散热的关键作用。

4. 实验验证结果：

   • 温升测量：实验测得转子温升为65°C，略低于仿真计算的71°C。作者认为差异源于仿真中忽略了辐射散热，且解析损耗计算本身存在一定误差。实验同时发现，定子是否开水冷对转子温度影响很小，而关闭气隙冷却空气则导致转子温度显著升高，这直接验证了仿真结论。
   • 损耗对比：通过损耗分离法得到的实测气动摩擦损耗随转速变化趋势与理论计算吻合良好，但理论计算值普遍高于实测值。作者分析认为，这是由于理论模型中转子表面粗糙度系数、摩擦系数、非气隙位置的库埃特-雷诺数等参数难以精确估计，以及对不规则转子形状的简化处理所致。

四、 研究结论与意义

本研究系统地对一台100 kW高速永磁磁悬浮电机转子进行了损耗计算与热分析，并得到了实验验证。主要结论如下： 1. 推力盘是气动摩擦损耗的主要贡献者，优化其尺寸（减小或采用无推力盘结构）对于降低损耗和温升至关重要。 2. 降低转子表面粗糙度和控制气隙轴向冷却气流速度，是减少气动摩擦损耗、提高电机效率的有效手段。 3. 充足的加压空气冷却（气隙强制对流）是冷却磁悬浮转子的最佳方式，能有效隔离定子热源对转子的影响。 4. 所建立的基于有限元法的热分析模型，结合了详细的损耗计算和热边界条件确定方法，能够较为准确地预测转子温度分布，与实验结果具有良好的一致性。

本研究的科学价值在于提供了一套针对高速磁悬浮永磁电机转子热管理的完整分析方法论，将电磁损耗计算、流体力学与传热学分析有机结合。其应用价值直接体现在为高速电机的冷却系统设计、转子结构优化（特别是推力盘设计）、以及效率提升提供了关键的理论依据和设计指导。研究结果明确指出，在追求高转速和高功率密度的同时，必须精细化管理各类损耗并强化转子散热，以防止永磁体过热退磁，确保电机长期可靠运行。

五、 研究亮点

1. 研究对象的典型性与挑战性：以高功率（100 kW）、高转速（32,000 r/min）的磁悬浮永磁电机为对象，其热管理问题极具代表性和工程挑战性。
2. 分析方法的系统性与综合性：研究涵盖了从解析法、有限元法到实验验证的完整流程，不仅计算了多种物理机制不同的损耗，还进行了流固热耦合仿真，体现了多物理场交叉分析的思路。
3. 实验设计的巧妙性：采用对拖实验台进行温升测试，并创新性地运用损耗分离法间接验证气动摩擦损耗的理论模型，为解决难以直接测量的损耗提供了可行的实验方案。
4. 工程指导意义的明确性：结论直接指向具体的优化设计方向，如推力盘最小化、表面光洁度控制、冷却气流优化等，对工程实践具有清晰的指导作用。
5. 对冷却方式的定量评估：通过耦合仿真和对比实验，定量分析了不同冷却条件（水冷、气冷）对转子温度的影响，明确了气隙强制对流的核心作用。

六、 其他有价值内容

论文在讨论部分展望了未来工作，包括在测试台上继续开展电机额定工况下的测试，以及基于流体-固体-热耦合分析，对转子-气隙-定子进行全尺寸的损耗与热建模。这指明了该领域进一步深入研究的方向，即建立更精确、更完整的系统级多物理场耦合模型，以应对更复杂工况下的热设计挑战。