高速永磁电机由于体积小、转速高，可与工作机或负载直接相连，而被广泛应用于轻工业、制造业、航空航天等领域。高速永磁电机转子作为电机的传动装置，其设计和动力学分析已经成为国内外学者研究的热点。为了避免转子在起动过程和工作时产生共振， 需要对电机转子的临界转速和振型进行相关的预测。

　　转子上的磁性材料一般为稀土永磁材料，而其抗拉极限十分有限。当转子高速旋转时会产生巨大的离心力，必须对转子永磁体进行保护和强度校核。目前保护永磁体的主要措施是采用高强度的复合材料护套（如碳纤维）和高强度的非导磁金属护套（如钛合金）。与采用金属护套相比，高强度的复合材料具有质量轻、涡流损耗小的优点，因此碳纤维护套广泛应用于高速永磁电机永磁体的保护。但是碳纤维护套的散热能力差，极易导致永磁体局部高温最终永久性退磁。

　　本文分别从临界转速、转子强度、温度场3个方面对一台20kW、20000r/min的高速永磁电机转子进行综合分析。对20kW高速永磁电机转子进行模态分析，自由模态的第1阶振型和第2阶振型均为弯曲变形。在考虑轴承刚度的转子前2阶模态分析云图，其前2阶振型也均为弯曲变形。自由模态下的固有频率均大于同阶的轴承状态下的固有频 率。电机转子自由模态第一阶临界转速为39411r/min,轴承状态下电机转子第1阶临界转速为23311r/min,均大于电机的额定转速20000r/min。

　　电机转子两端安装轴承固定转子，轴承类型和轴承刚度的合理选择对电机的正常运转影响巨大， 因此选取合适的轴承刚度，避免共振对电机转子设 计有重要的意义。随着轴承刚度的增加，各阶临界转速逐渐增大。第1阶临界转速是转子设 计最为关心的部分，随着刚度的增加，第1阶临界转速的增幅逐渐变缓，趋于一条直线，可见刚度对临界转速的影响在低刚度下效果显著，在高刚度下没有较大的影响。对电机转子进行瞬态分析，在5s内将电机转子转速从0逐渐升至30000r/min,取电机转子系统的最大不平衡响应。随着转速的增大，最大变形量随之增大，在30000r/min时，转子最大变形量为0.15μm，符合设计要求。

　　目前，转子护套一般采用碳纤维护套。由于永磁体在高速旋转下会产生巨大的离心力，而永磁体一般采用烧结钕铁硼材料，其抗拉极限仅为80MP，在装配过程中永磁体和碳纤维护套过盈配合，会使永磁体产生一定的预紧力，从而减小正常运转时的拉应力。在高速温升下的情况下，永磁体最大切向力为17.2MPa，出现在永磁体内表面，最小切向力出现在永磁体外表面为3.8MPa，均为正值，为拉应力。切向力从外表面逐渐增大至内表面，在允许的80MPa的范围内。同样情况下的永磁体径向力最大值出现在内表面，58.4MPa, 为压应力，最小值出现在外表面53.0MPa,同样为负值，为压应力，永磁体径向抗压极限为1050MPa, 仿真结果在允许范围内。

　　由于转子护套为碳纤维材料，其散热能力差，极易导致永磁体高温，使永磁体产生不可逆退磁，外壳采用直槽水道，内风道采用强迫风冷。 直槽水道入口速度为3m/s,内风道入口速度为15m/s,入口温度均设置为20℃。电机的最高温度为108.3℃，出现在转轴永磁体部位，这是由于碳纤维护套散热性差所导致，碳纤维护套的传热系数仅为0.7w/（m·k），其他材料的传热能力远大于为碳纤维。钕铁硼永磁体的工作温度一般在150℃以下， 仿真结果显示在允许范围内。

　　阅读延伸：《永磁体电机转子缠绕碳纤维工艺研究》