引言
随着科学技术的不断发展，现阶段普通电机已经不能满足实际工业需求，高速永磁电机在工业应用中的价值也在不断提高。高速永磁电机遵循基本的电磁原理，体积小，速度高，可以大大提高电机的工作效率，在一定程度上有效节约成本。高速永磁电机由于速度快，会面临各种问题。要尽可能降低电机损耗，分析如何提高转子强度，准确计算温升。
1.现代永磁电机设计方法研究
永磁电机技术以多物理场为设计基础进行分析，其设计以系统仿真平台的构建和应用为整个设计的工具保障，满足各种电动或混合动力电机的研发需求，同时兼顾电机内部零部件小型化、轻量化的实际需求。这对电机的设计提出了非常高的要求，设计和实现的难度明显增加。为了实现上述目标，现代永磁电机的设计方法与传统电机完全不同。该设计方法实现了多目标和多极限优化，对永磁电机的电力学、热学、电磁学、设备结构、电力电子设计以及系统控制等方面进行仿真，并整合需求获得最优化方案。整个设计必须高度重视平衡基速点的作用，并清楚界定电机最高转速点系统运行性能，使得设计的功能和性能与实际应用更加契合，达到运行的稳定性和持续性。具体来说，整个设计可大致按3个步骤进行。一是永磁电机系统设计。在系统设计中，应确定整个永磁电机系统的设计目标，然后选择电机系统的关键设计技术，充分明确整个系统的功能和性能参数标准，通过多种实施方案的比较，选择最佳方案。因此，需要重点分析电机的拓扑结构，根据对其拓扑结构的分析，确定和分析合适的电机基本转速点，然后利用最高转速点进行综合分析，包括发热情况和设备结构的潜在影响，最终得到电机仿真结构。二是永磁电机场分析。该设计任务是要对永磁电机内部的各种物理场进行模拟仿真，包括电机设备内部的各种电磁场、力场、温差形成的场等，计算电机以及附属驱动电路之间的电磁性能，并利用耦合仿真方式进行相关参数较为精确的计算。整个仿真的重点不仅包括电机的电磁性能，还包含力学、热学等重要性能。通过较为精确的计算，使得最终设计能够达到良好的性能表现。三是电机系统设计。基于以上分析和仿真，系统设计的基本条件已经具备，在此条件下可以进一步完成整个系统的设计。在实际设计中，要充分考虑制造工艺、成本控制等实际问题，使成品既能满足技术要求，又能在实用性、经济性等多方面达到较为理想的状态。
2.现代永磁电机技术应用开发措施
2.1高速内置式永磁电机温度场分析
内置永磁电机的速度、频率和损耗分布在其他电机中。非晶金属虽然在一定程度上降低了定子铁心的损耗，但是会增加转子在高速环境下的摩擦损耗，产生很多问题。当它高速旋转时，会产生大量的热量。为了尽可能避免温度过高带来的诸多问题，通常采用水冷、风冷、联合冷却等方式进行物理冷却。因此，综合考虑成本和系统因素，采用螺旋水路冷却。因为定子绕组非常不规则地布置在槽中，为便于分析，假设定子槽内绕组在理想状态下，忽略漆膜造成的温差等，将槽内所有绝缘材料等效成另一个导热体，对其进行理想化等效后，其导热情况均匀分布在槽内。转子在高速运行环境下，会带动空气的流动，以形成对流的方式进行热交换，但是，形成的流体场和温度场，加大计算的难度，为了进一步简化分析降低计算难度，引入导热系数，静止流体导热系数等效流动空气的导热系数，将转子视为静止，进行气隙中对流方式热换的效果，对导热系数进行计算。
2.2恒磁链控制分析
恒磁链控制主要是控制动子的电流，使动子的交联磁链可以与永磁体产生的气隙磁链具有相同的幅值。这种方法在满足高功率因数的基础上，有效扩大了电机的最大推力输出值，可输出的最大推力仍会受到限制。以上控制方式各有特点，应用也不尽相同。简单比较这些控制方法，并考虑实际工程难度，最好选择第一种控制策略。用于转子磁场实现方向控制目标的伺服控制系统是基于由内向外的原理，通过电流、速度和位置闭环构成。针对电流环而言，主要对电流矢量进行解祸控制，其中调节器的组成要素主要是坐标变换模块等，核心作用为确保随时控制动子电流，让伺服系统拥有更高的响应速度。有关其中的速度环，则是在使系统拥有出色跟随性的基础上提高抗扰性能，进行动态调节，有效限制电机进入到稳态调节，将电机存在的速度误差消除。最后位置环，用于跟踪位置指令，通常情况下控制设备会以前馈控制算法帮助系统提升动态响应能力，性能指标为误差稳态跟踪与位置环增益。
2.3多相永磁容错电机
与多路三相电机相比，多相容错电机只需在故障时切断故障相，容错时绕组和控制器利用率高。同时，相数越多，健康相承担的附加功率越小。由于多相容错电机的优点，具有更高相数的永磁容错电机得到了广泛的研究。主要包括四相、五相、六相永磁容错电机。虽然多相容错电机的容错能力与其相数成正比，但是相数的增加也会使系统成本和复杂度成比例的增加。当容错电机驱动系统相数超过六相时，系统将变得过于复杂，成本过于昂贵，同时也增加了单个通道的故障发生概率，因此容错电机驱动系统相数一般不超过六相。为了提高三相永磁电机的容错性能，采用三相H桥驱动系统，使得该驱动系统比传统三相全桥逆变器驱动系统增加一个控制自由度，这一多余的控制自由度可以用于系统的容错控制，使一相电机绕组或者逆变器发生故障时仍可继续运行。通过仿真和实验对比发现，三相永磁容错电机开路和短路故障的转矩脉动大于五相永磁容错电机，表明五相永磁容错电机具有相对较好的开路和短路容错能力。多相故障时，三相永磁容错电机不能工作，而五相永磁容错电机仍能工作，更适用于对驱动系统可靠性要求严格的场合。
2.4使用高性能材料
根据应用场合和成本要求，选择合适的材料可以有效降低AFPM电机的各种损耗，包括铁损、铜损、杂散损耗、机械损耗等。从而提高了电机的效率。采用超薄电工钢片或非晶合金材料可以降低电机的铁损(磁滞和涡流损耗)；采用高导电材料可以降低电机的铜耗，例如，银铜合金。扁线可以改善系统散热质量；永磁材料应选择剩余磁通密度高、矫顽力大、最大磁能极大，且耐高温的永磁体；绝缘的厚度对电机的体积和重量有一定影响，可以采用超薄绝缘结构提高槽满率，减小体积，提升电机功率密度。因此，高性能材料是实现AFPM电机高效高功率密度的技术之一。
结束语
目前，现代永磁电机技术已经发展到了比较高的水平，其技术更加专业化以满足实际应用，在性能、功能和成本控制方面都取得了很大的进步。随着计算机仿真技术在设计领域的深入运用，现代永磁电机的研发和应用有了质的飞跃，需求驱动研发的趋势更加明显。中国作为制造业大国，正处于从中国制造到中国创造的转型期，因此现代永磁电机技术的研发具有重要意义。
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