高速永磁电机凭借高效、高功率密度和直驱的优势，在燃气轮机、分布式发电、储能飞轮、压缩机、航空航天、舰载供电设备等领域中得到广泛应用。先进微型燃气轮机采用高速永磁电机进行启动和发电，高速永磁转子与压气机和透平同轴设计，省去了减速齿轮箱，从而减小了整机的体积和噪音，提高了设备的效率、可靠性和稳定性。高速永磁电机的设计是集电磁设计、转子强度设计、转子动力学分析以及冷却系统设计等多物理场综合设计的过程，每个关键技术都得到合理的解决方案，高速永磁电机才能可靠安全运行。
图1 微型燃气轮机用高速永磁电机设计模型
近日，创新研究院微小型燃气轮机技术研究中心团队针对某微型燃气轮机用100kW、60,000rpm高速永磁电机的碳纤维护套转子进行热应力和动力学研究，三层碳纤维全部周向缠绕（90°）时永磁体处于更好的压缩状态，这种缠绕方案更适合于设计阶段与样机制作。但是在批量生产过程中，碳纤维护套将承受一定的轴向力，此时需要考虑碳纤维的轴向缠绕。因此，研究所能源动力研究中心研究人员提出了两种分别用于样机制作和批量生产的碳纤维护套转子模型，前者仅考虑周向缠绕，后者的碳纤维中间层缠绕方向更靠近轴向。
图2 碳纤维护套三层缠绕设计 图3 碳纤维护套转子热应力分析
为了进一步分析高速永磁转子的热应力状态，研究人员对是否考虑永磁体与转子铁心之间的环氧树脂胶的两种情况进行了分析。在高速永磁转子中，环氧树脂胶可以承受由永磁体产生的部分离心力，如果不考虑环氧树脂胶的作用，永磁体将处于更好的压缩状态。但此时碳纤维护套需要承受由永磁体产生的大部分离心力，从而导致护套局部应力集中，这可能使得碳纤维护套局部失效。因此，碳纤维护套转子在高速运行时，环氧树脂胶应处于稳定工作状态，以保证碳纤维护套转子的安全运行。
图4 不考虑环氧树脂胶的碳纤维护套蔡吴系数分布
微型燃气轮机转子在高温、高压的环境下运行。高温使转子产生热应力的同时，也将引起如弹性模量等材料性能的变化，从而改变转子刚度，对永磁转子的动力学性能产生影响。考虑温度上升的模态分析表明，本文所研究的永磁转子在高温状态下固有频率的下降超过8.3％。因此，对于微型燃气轮机用高速永磁电机等对转速、效率比较敏感的设备，在设计和分析中应考虑高温对转子动力学性能的影响，从而得到更准确的计算结果与设计方案。
表1 高温与常温下转子固有频率分析
图5 永磁转子模态实验
本研究得到了轻型动力创新研究院重点项目的经费支持（No.51906242）的支持，相关成果发表在IEEE的期刊上。
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