高速永磁同步电机（HSPMSM）转子护套对多物理场性能影响的综合研究

作者及机构： 本研究由西安科技大学电气与控制学院的Guanghui Du、Lu Wang、Qixun Zhou、Tao Pu、Chengshuai Hu、Jun Tong团队，联合西安永捷利风电能源有限公司的Na Huang以及华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室的Wei Xu（IEEE高级会员）共同完成。论文发表于2023年3月/4月的《IEEE Transactions on Industry Applications》第59卷第2期。

学术背景： 高速永磁同步电机（HSPMSM）因体积小、效率高，在飞轮储能、空气压缩机、分布式发电系统等领域具有广泛应用。然而，高速运行带来的高频、高损耗密度及散热困难等问题，对电机设计提出了严峻挑战。其中，转子护套作为保护永磁体的关键部件，其材料和厚度会显著影响电磁特性、损耗分布、机械强度和温升特性。现有研究多聚焦于单一物理场（如机械应力）的优化，缺乏对多物理场耦合影响的系统分析。本研究旨在全面探究合金护套（Ti-alloy）与碳纤维护套在不同厚度下对电机多物理场性能的影响规律。

研究流程与方法： 1. 研究对象与模型构建： - 以350 kW/20,000 rpm的表贴式HSPMSM为研究对象，主要参数包括：4极36槽结构，轴向分段永磁体（NdFeB材料），定子采用0.2 mm硅钢片。 - 建立二维和三维有限元模型（FEA），其中二维模型用于快速计算电磁场和损耗，三维模型用于精确分析应力分布和温度场。特别开发了考虑永磁体轴向分段的修正系数（0.425）来优化二维模型的涡流损耗计算精度。

1. 研究阶段划分：

• 案例A：固定机械气隙长度（2 mm），改变护套厚度（3-7 mm），研究电磁气隙变化的影响。
• 案例B：固定电磁气隙长度（9 mm），改变护套厚度，研究机械气隙变化的影响。

1. 多物理场分析流程：

• 电磁特性分析：通过2D FEA计算不同护套厚度下的气隙磁密分布和空载感应电压。
• 损耗特性分析：采用Bertotti损耗分离模型计算定子铁损；通过涡流场仿真获取转子涡流损耗（区分永磁体和护套损耗）；基于流体力学公式计算空气摩擦损耗。
• 机械应力分析：通过3D FEA模拟不同转速（0-24,000 rpm）和温度（20°C-130°C）下的转子应力分布，重点分析永磁体切向应力和护套等效应力。
• 热特性分析：采用ANSYS-CFX进行流体-固体耦合仿真，模拟定子水冷（流量2 m³/h）和槽内风冷（风速1.5 m/s）复合冷却系统的温升特性。

主要研究结果： 1. 电磁与损耗特性： - 案例A中，碳纤维护套厚度从3 mm增至7 mm时，永磁体涡流损耗从1200 W降至400 W（图7a），而合金护套因高电导率导致损耗集中在护套（图6）。案例B中，减小护套厚度可显著降低涡流损耗（碳纤维护套从430 W降至200 W）。 - 固定机械气隙时，增加护套厚度会降低气隙磁密（图2a），使定子铁损减少约30%（图9）；而固定电磁气隙时，铁损基本不变。

1. 机械应力特性：

• 碳纤维护套的切向应力在130°C时达到最大值（图14c），而合金护套等效应力在室温下最高（图16c）。相同厚度下，合金护套的应力水平比碳纤维低15%-20%，但会导致永磁体应力增加约25%（图18-19）。
• 护套厚度对永磁体应力影响显著：7 mm碳纤维护套可使永磁体切向应力安全系数提升至1.8倍（图28a）。

1. 温度分布：

• 碳纤维护套在案例A中表现出更好的温控性能（7 mm时转子温度136°C vs 合金护套270°C）。案例B中，3 mm碳纤维护套比7 mm方案温度低30°C（图26a）。
• 合金护套虽导热性好，但因涡流损耗过高，最高温度仍超过300°C（图30）。

1. 综合配置对比：

• 设计四种配置（S-A至S-D），证明采用碳纤维护套+大机械气隙（S-C）的方案最优：转子损耗最低（图29b）、温度136°C（图30）、应力安全系数1.5以上（图28）。

实验验证： 研制350 kW原型机（护套厚度4 mm），测试显示： - 空载感应电压计算值（368 V）与实测值（376 V）误差<2.2%（图33）。 - 满载电流波形吻合良好（计算553 A vs 实测541 A），功率因数0.96-0.97（图34）。 - 绕组温度计算值128°C与实测123°C一致（表V）。

结论与价值： 1. 科学价值： - 首次系统揭示了护套厚度与材料对HSPMSM多物理场的耦合影响机制，提出”电磁气隙-机械气隙”双阶段分析方法。 - 建立了考虑轴向分段永磁体的修正涡流损耗模型，提升计算效率的同时保持精度（3D与2D结果偏差<15%）。

1. 工程指导：

• 明确碳纤维护套在降低损耗和温升方面的优势，但需通过增加厚度（建议5-7 mm）补偿机械强度。
• 提出”优先满足永磁体应力约束，再优化电磁性能”的设计准则，为高速电机转子护套设计提供量化依据。

研究亮点： 1. 方法创新：开发了多物理场协同仿真框架，整合电磁-机械-热耦合分析，实现从参数设计到实验验证的全流程闭环。 2. 发现创新：揭示碳纤维护套存在”临界厚度”现象（7 mm时损耗降幅趋缓），为经济性设计提供边界条件。 3. 应用创新：提出的复合冷却方案（槽内风冷+壳体水冷）可使转子温升降低40%，已应用于原型机。

其他重要发现： - 发现护套过盈量对机械应力的敏感性高于厚度变化：过盈量每增加0.1 mm，碳纤维护套应力上升18%（图18a）。 - 提出合金护套适用于短期高速工况（如航空领域），而碳纤维护套更适合长期运行的工业场景，这一观点被后续实验数据验证。