王天煜 温福强 张凤阁 王大朋 戴睿DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.1712381导语高速永磁电机转速高，功率密度大，体积小，可以有效地提高电机系统效率，在高速机床、鼓风机、压缩机、透平式膨胀机、航空、船舶、分布式发电系统等国防和重大工业领域具有广阔的应用前景。
高速永磁电机的广泛应用将极大地提升电工装备的能效水平和制造能力。
2研究背景目前对于高速永磁电机的研究欧美等国家居世界领先地位，并取得令人瞩目的技术进展，已形成系列产品并广泛应用在各个行业，功率范围从几瓦到兆瓦级，转速从4000r/min到450000r/min。
我国对高速永磁电机的研究近几年发展快速，成绩斐然，其中315kW以下的中小功率、中低速、低压高速电机已初步产业化，但我国的直驱电机技术成熟度还不高，特别是大功率高速电机国外对中国实行禁售，而我国对大功率和超高速电机的需求十分旺盛，我国重大工业领域对高速电机的研发技术充满期待。
3论文所解决的问题及意义高速电机高速、高频及高功率的特点给电机的设计及制造带来新的挑战。
高转速下永磁转子的线速度高达200m/s以上，永磁材料不能承受高速旋转产生的拉应力，因此，转子强度问题更为突出。
大功率高速永磁电机多采用表贴式转子结构及碳纤维保护套，转子为多复合结构，在服役过程中转子受热膨胀，由于护套、永磁体、隔磁块的热涨系数及传热系数不同，转子温度场分布是不均匀的。
以往的热态转子强度计算中，温度均为定值，忽略了转子温度梯度引起的应力分布变化。
针对现有计算方法的局限性，本文提出多场耦合作用下的转子强度分析方法。
4论文的方法及创新点本文基于流固耦合方法建立三维电机转子模型，利用有限体积元法对电机转子进行流体场、温度场耦合分析得到转子温度场分布，在此基础上，将温度场计算结果作为应力场计算的边界条件实现转子热固耦合分析，研究转子在服役工况下的应力分布及强度变化规律。
根据高速永磁电机的结构、流体流动和传热的特点，本文给出三维求解域边界条件。
温度场计算表明永磁体最高温度在中间位置并接近永磁体的温度极限，长期运行可能会导致永磁体失磁。
由于转子碳纤维护套导热性差且为各向异性，其径向导热系数远小于轴向导热系数，因此，转子损耗产生的大量热沿径向很难散热。
转子各部分在轴向和径向均呈现非均匀的温度梯度。
为了验证温度场计算结果的正确性，搭建测试平台进行电机温升实验，通过转子计算温度值与实测值对比分析验证了温度场仿真分析的正确性。
本文将温度场计算结果作为热载荷导入应力场中，计算热固耦合下转子热应力分布，得到服役工况下永磁体及护套的应力分布云图。
受温度梯度影响永磁体切向应力在径向上成递增趋势，应力最大位置在与转子铁芯接触表面。
沿轴向两端永磁体边缘与转子铁芯接触处受到拉应力最大，永磁体易产生裂纹，造成永磁体老化失磁。
为避免永磁体边缘局部应力集中，可在轴与永磁体接触处开卸荷槽；也可通过增加永磁体轴向分块数减小轴向温度梯度产生的热应力影响；在选取的极间隔磁块及轴材料时，其密度、弹性模量、泊松比、热涨系数尽量与永磁体材料接近。
图3 流固耦合下永磁体沿轴向应力变化图护套径向应力受轴向、径向温度梯度影响不大。
护套切向应力均为拉应力，轴向上护套切向应力表现为中间大两端小的趋势，径向上护套切向应力表现为递减的趋势，护套切向应力最大位置在与永磁体接触的中心部分。
碳纤维材料各向异性，受热后产生径向上收缩，有利于永磁体承受离心力，但同时轴向会伸长，护套装配时与隔磁环应留有间隙。
对于大功率高速永磁电机，未来还需从结构设计、材料、工艺等方面降低转子损耗，改善散热方法，从根本上解决转子可靠运行的关键问题。
5结论本文建立了高速永磁电机转子三维温度场、流体场耦合计算模型，对兆瓦级高速永磁电机进行了温度场、流体场仿真分析，通过温升实验验证了温度场计算的正确性。
在流固耦合下，受温度梯度产生的热应力影响，永磁体两端边缘与转子铁芯接触处受到拉应力最大，易产生裂纹，造成永磁体老化失磁；温度梯度对永磁体切向应力影响较大，对护套应力影响较小。
本文的研究为大功率高速永磁电机转子设计提供了参考。
本文引用王天煜, 温福强, 张凤阁, 王大朋, 戴睿. 兆瓦级高速永磁电机转子多场耦合强度分析[J]. 电工技术学报, 2018, 33(19): 4508-4516. Wang Tianyu, Wen Fuqiang, Zhang Fengge, Wang Dapeng, Dai Rui. Analysis of Multi-Field Coupling Strength for MW High-Speed Permanent Magnet Machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(19): 4508-4516. 作 者 简 介沈阳工程学院沈阳工程学院结构完整性及系统可靠性团队带头人为王天煜教授。
团队主要围绕高速电机直驱系统关键技术及机械疲劳可靠性开展研究，包括电机结构设计、电机冷却技术及基于电磁/机械/温度场/流体场的多物理场耦合优化设计；复杂机械装备、系统的可靠性设计与评价技术。
团队近年来承担各类纵向、横向科研项目50 余项，发表各类学术论文200 余篇(其中被SCI、EI 收录论文50 余篇)。
王天煜女，1968年生，博士，教授，研究生导师，研究方向为高速电机机械特性分析，多物理场耦合计算。
沈阳工程学院机械设计及理论学科负责人，创新学术团队带头人，历任机械制造系主任，机械设计制造及其自动化专业负责人，辽宁省普通高等院校机械类教学指导委员会委员。
温福强 男，1991年出生，硕士研究生，研究方向为多物理场耦合计算。
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