屏蔽、分段、开槽与复合护套：高速永磁电机转子涡流损耗抑制方法的技术演进与协同机制

 

摘要：转子作为高速永磁电机的核心部件，面临着高温导致的永磁体退磁及转子损坏的风险，合理有效的转子热管理技术是保证高速永磁电机可靠运行的关键。本文对高速永磁电机转子热管理技术进行了综述，全面分析总结了高速永磁电机转子损耗抑制措施与高效冷却技术。首先，阐述了转子损耗产生机理及其影响因素和计算方法；其次，从异步磁场产生源头、传播路径以及作用对象三个层面总结归纳了转子涡流损耗抑制措施；接下来，概述了高速永磁电机转子通风冷却及液冷技术要点；最后，对高速永磁电机转子热管理技术进行了总结与展望。

关键词：高速永磁电机；转子热管理；涡流损耗；风摩损耗；转子冷却

 

一、高速永磁电机转子热管理技术研究

近年来，凭借着高效率、高可靠性及高功率密度等优势，高速永磁电机除在压缩机、鼓风机、离心泵等传统工业领域得到广泛应用外，也在航空飞行器推进系统、船舶推进系统以及电动汽车驱动等新型绿色交通领域受到青睐。高速电机通常指转速超过10×10³ r/min或难度系数（转速与功率平方根的乘积）超过1×10⁵的电机。随着高频驱动电源、高性能软磁材料、永磁材料的迅猛发展以及高速轴承技术的革新，电机可以实现高速甚至超高速运行。高速电机的优势十分突出：功率密度大，可有效节约材料、减小体积、节省空间、减小质量；转动惯量更小，动态响应更快；可与负载直接相连，省去了传动装置，可靠性高，系统效率高。

具有高矫顽力及高剩磁特性的稀土永磁体是保证高速永磁电机实现高性能输出的关键。然而，稀土永磁体的磁性能以及机械性能均受限于转子温升。一方面，永磁体的剩磁及矫顽力随温度的升高而降低，当超过最高工作温度后，即出现不可逆退磁，降低高速永磁电机的输出性能；另一方面，温升导致各向异性热膨胀的永磁体产生局部应力集中，使得永磁体损坏风险增加，危害高速永磁电机的运行安全。电机材料的物理性能和电气性能，如导体的电阻率、铁芯的磁导率、永磁体的磁能积以及转子结构的刚度和强度等，受温度因素的影响，会导致电机的电磁性能和可靠性发生变化。

因此，开展合理有效的转子热管理，对于保证损耗密度高、散热面积小以及工作环境严苛的高速永磁电机的长期安全可靠运行具有重要意义。首先，高速永磁电机转子热量主要来源为转子涡流损耗以及风摩损耗。转子涡流损耗由与转子异步旋转的谐波磁场作用在转子上产生。高速永磁电机的高基频决定了即使作用在转子上的异步磁场阶次较低，也能产生相当可观的涡流损耗。另一方面，转子表面线速度的提高虽然带来了更高的功率密度，但也导致转子表面风摩损耗急剧增加。通过抑制转子涡流损耗和风摩损耗，可以从根源上有效控制转子温升。其次，高速永磁电机转子热量最终都是通过对流换热形式被外界冷却介质带走。由于转子铁心及转子护套的存在，永磁体通常不能直接接触冷却介质，传热热阻降低了永磁体的散热效率，尤其是使用低热导率的碳纤维护套的转子。此外，受到转子强度限制，高速转子体积通常较小，因而其与冷却介质接触面积较小，进一步降低了对流换热效率。

上述不利因素使得高速永磁电机转子热管理面临着严峻挑战，包括两方面内涵：转子损耗抑制与转子高效冷却。其中，转子损耗抑制着眼于从源头上阻止热量产生，而转子高效冷却聚焦于将转子热量及时、有效排出。总的来说，高速永磁电机转子热管理是一个多维度的问题，需通过转子损耗抑制措施与高效冷却技术的协同作用共同确保转子的可靠运行。高速永磁电机的设计是基于电磁场、温度场、应力场、流体场和转子动力学等多物理场相互耦合的综合迭代设计过程，设计难度系数较高。然而，目前尚未有文献提供全面的高速永磁电机转子热管理技术的总结归纳。为保证转子运行的可靠性以及给未来高速永磁电机的设计与应用提供参考与指导，有必要对现有高速永磁电机转子热管理技术进行全面审查。

 

二、高速永磁电机转子损耗产生机理与特性

由于转子铁心磁场相对稳定，其磁滞损耗以及附加损耗占比不大，电磁损耗中对转子温升起主要贡献的是转子涡流损耗。当作用在转子上的异步磁场频率较低时，其产生的涡流作用很小，转子导电部件中磁场与涡流接近于均匀分布，此时的涡流性质为“电阻限制型”；若异步磁场交变频率较高或转子部件尺寸较大，导致磁场以及涡流的趋肤效应明显，并且具有屏蔽效应，此时称其为“电抗限制型”涡流。本节分析了高速永磁电机转子涡流损耗产生机理及其影响因素和计算方法，为后续涡流损耗抑制提供研究基础。

2.1 转子涡流损耗产生机理

当交变磁场作用在不承载电流的导体上时，在导体内部会感应出呈漩涡状流动的涡旋电流，简称涡流。高速永磁电机转子处于复杂的磁场环境中，谐波磁场相对于转子异步旋转，根据法拉第电磁感应定律，异步磁场将在转子导电部件中产生感应电动势进而产生涡流，并由此产生涡流损耗。转子中场量的趋肤效应表现为两个方面，其一是异步磁场沿径向传播表现出趋肤效应，即转子表面处异步磁场幅值最大；其二是转子中的涡流沿转子圆周方向表现出趋肤效应，并使得磁极两侧的温度相对较高。异步磁场在转子部件中的穿透深度除取决于自身频率外，还与转子部件的材料电导率有关。在高速永磁电机中，转子导电部件主要包括三类：转子护套、永磁体以及转子铁心。

（1）转子护套

相比于常规电机，高速永磁电机需要配备转子护套以避免永磁体在高速运行时发生损坏。目前常用的转子护套有两类，一类是具备较高电导率的合金护套，如钛合金护套和镍基合金护套。虽然异步磁场会在金属护套上产生涡流损耗，但其对作用在永磁体上的异步磁场能够起到一定的屏蔽作用，并且较高的热导率还有利于转子散热。有研究表明，高电导率护套对高次谐波的抑制作用较强，导致永磁体涡流损耗减小；而且，高电导率护套产生的涡流较大，对外层碳纤维护套内的谐波磁场起到了削弱作用，使得外层碳纤维护套涡流损耗减小。

另一类具有更高比强度的复合纤维护套是如今高速电机的应用趋势，以碳纤维护套尤为受到关注。然而，在多数研究中，往往忽略了碳纤维护套上的涡流损耗，这会导致对于转子温升分析的不准确。作为转子碳纤维护套生产原料的碳纤维增强树脂复合材料由导电碳纤维和电绝缘树脂组成，其在平行于纤维方向、垂直于纤维方向以及厚度方向表现出各向异性电阻率特性。因此，在分析转子碳纤维护套的涡流损耗时，简单地将其电导率设为各向同性是不合理的。当碳纤维丝束采用环向缠绕方式时，其沿轴向具有最大的电阻率，对应于径向磁场在碳纤维护套中产生的涡流的主要流动路径。为了测量碳纤维护套的等效电阻率，提出了一种基于涡流法的环型测试结构，通过测量焦耳损耗来获得碳纤维护套电阻率，并将所测得的电阻率代入有限元软件中，以在设计阶段计算碳纤维护套中的涡流损耗。在高速永磁电机追求轻量化、高功率密度的背景下，具有高比强度、耐疲劳性以及高可设计性的碳纤维增强树脂复合材料在转子护套以及定子油套等关键部件中的应用日趋广泛，为了避免碳纤维护套局部过热从而危害其可靠性，在前期设计阶段，有必要关注碳纤维护套中涡流损耗。

（2）永磁体

高速永磁电机广泛使用的稀土永磁体具有各向异性电阻率。因此，在考虑稀土永磁体的涡流损耗时，更精确的方法是构建三维各向异性模型。此外，磁化状态以及温度也影响到稀土永磁体的高频电阻。然而，永磁体的各向异性电阻率并没有标准值，目前尚无文献探究永磁体各向异性电阻率对高速永磁电机转子温升的影响，并且永磁体厂商的技术手册一般也只提供恒定的电阻率，不考虑各向异性电阻率以及温度的影响，这对于准确计算永磁体涡流损耗是不利的。

（3）铁心

高速永磁电机转子铁心一般有两种，一种是电工钢叠压而成的叠片式铁心，其低磁阻特性有利于提高气隙磁密，而且薄叠片阻断了转子铁心中的涡流路径，有利于抑制转子铁心的涡流损耗。但考虑到转子强度，目前高速永磁电机的一个发展趋势是转子背轭采用磁性合金钢材料，避免使用转子硅钢片。由合金钢材料制成的转子背轭既充当了转子铁心又起到转轴的作用。然而，相比于叠片铁心，块状合金铁心中往往会产生更大的涡流损耗。

2.2 异步磁场产生机理

作用在转子上的异步磁场由以下三种因素共同作用产生：（1）定子绕组连接形式产生的磁动势谐波；（2）开槽引起的磁导谐波；（3）控制策略引入的绕组相电流谐波。由于在高速电机前期设计中，通常追求最优的绕组连接方式以及定转子齿槽结构，以使得气隙磁场谐波含量最低。因此，相比于定子绕组连接形式引入的磁动势谐波以及定转子开槽引起的磁导谐波带来的异步磁场，控制策略引入的电流谐波产生的异步磁场是导致转子涡流损耗的主要因素。

为了实现高速永磁电机转矩与转速的精细控制，在其工作中通常需要配套控制器。不同控制策略对转子涡流损耗的影响具有显著的区别。由于交流电机需要输入三相正弦电流的最终目的是在空间中形成圆形旋转磁动势，从而产生恒定的电磁转矩。因此，以圆形旋转磁场为目标的空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）在现今的电机控制中更受欢迎。

在相同条件下，由SVPWM控制策略引入的电流谐波导致的转子涡流损耗远大于理想正弦电流激励时的转子涡流损耗。因此，在高速永磁电机早期设计阶段考虑控制器引入的电流谐波对转子涡流损耗的影响对于避免转子过热至关重要。一种常用的考虑SVPWM控制策略引入的电流谐波的方法是搭建高速永磁电机电磁场与电路的间接耦合模型。首先，利用动态系统仿真软件搭建高速永磁电机控制仿真模型，在此阶段通常将电机简化成数学模型，再将获得的SVPWM控制策略下的相电流导入有限元软件作为激励源以计算转子涡流损耗。此种方法虽能够快速得到SVPWM控制策略下的电流，但无法考虑铁心饱和等因素对磁场的影响，缺乏一定的精度。

另一种方法得益于商业有限元软件的快速发展，目前已能够在有限元软件中直接搭建基于矢量控制的SVPWM控制策略下的高速永磁电机外电路，实现高速永磁电机磁场-电路直接耦合。相比于传统的基于路、使用数学方程来代替实际电机模型的仿真方法，直接场路耦合分析模型能够对高阶、非线性以及强耦合的多变量高速永磁电机模型进行全面准确的仿真分析，进而准确计算电流谐波作用下的转子涡流损耗。对于常规的电机有限元仿真，其仿真步长通常以电机的频率为基准，设置原则为：在保证仿真精度的前提下尽可能减少计算时间。而对于场路耦合分析模型，由于考虑了SVPWM控制策略，其功率器件的开关频率远高于电机的工作频率，为了保证三角载波不失真，需要以SVPWM的开关频率作为基准确定仿真步长，这极大地增加了计算负担。此方法虽提高了计算精度但牺牲了计算时间。

此外，将样机测试所得的控制器驱动下的实际电流波形作为激励源导入有限元模型中来分析电流谐波对高速永磁电机磁场的影响也是一种可行的方法。但此方法依赖于试验数据，无法为高速永磁电机前期设计提供指导。

2.3 转子涡流损耗计算方法

在高速永磁电机前期设计阶段，准确地计算转子涡流损耗是进行合理有效的冷却设计的前提。转子温度场计算依赖于损耗计算值，若涡流损耗值计算偏低，将导致实际运行时转子过热，并引发一系列安全隐患；反之，过度保守的损耗值又会导致冷却系统体积冗余，从而制约高速永磁电机功率密度的提升。

永磁电机的转子涡流损耗解析计算模型已发展得较为成熟，具有代表性的方法包括：考虑电枢反应磁场的等效电流片法；考虑开槽和涡流反应场的精确子域法以及考虑饱和影响的电网络模型法。在此基础上，考虑护套影响的高速永磁电机转子解析计算模型被开发出来。相比于有限元法，解析法的优势体现在其能够更直观地展示转子涡流损耗的产生机理以及影响因素，但解析模型构建过程中存在着大量的假设与简化，牺牲了一定的计算精度，并且对于复杂结构，解析法适用性较低。而有限元法能够满足复杂结构的转子的涡流损耗计算，具有较强的适用性。根据模型维度的不同，有限元方法可分为二维有限元法以及三维有限元法。二维有限元法只考虑平面内的磁场，忽略了转子涡流以及磁场的端部效应，具有一定的计算误差，不能满足高精度的计算需求，尤其涉及到永磁体分段的情况。三维有限元法虽能够提高计算精度，但会耗费大量的计算时间，特别是进行磁场-电路耦合计算时。因此，对三维有限元模型进行降维，在保证计算精度的同时提高计算速度是未来研究的一个重要方向。此外，半解析法通过从有限元分析中获得所需场量，再结合解析模型对转子涡流损耗进行计算，此类方法能够兼顾计算速度与计算精度，具有一定的研究价值。

然而，在高速永磁电机设计阶段，若精确计算每个优化方案下的转子涡流损耗，将消耗大量时间，极大地影响设计效率。因此，相关研究基于函数关系实现快速评估转子涡流损耗，以提高高速永磁电机设计分析效率：定义了与涡流损耗相关的频率加权系数以反映不同工况下的涡流损耗变化趋势；基于转子涡流损耗与定子叠高的关系，以基准电机的涡流损耗为参考值，快速评估尺寸优化后的电机的涡流损耗。

2.4 转子风摩损耗产生机理与流动特性

现如今，高速永磁电机为了追求更高的功率密度，转子表面线速度不断提高。以圆柱形转子为例，根据无滑移边界条件，贴壁处流体的运动速度与壁面的速度相同。因此，靠近转子表面的流体速度与转子保持一致，靠近定子表面的流体速度与定子保持一致（即静止）。对于使用碳纤维护套的转子，在无轴向流动时，其表面线速度可达到250 m/s。由于电磁性能、装配工艺以及弱磁能力等因素的限制，高速永磁电机物理气隙一般在1.0 mm ~ 2.0 mm区间内，这意味着气隙中流体的切向速度需要在2.0 mm的距离内从高于200 m/s降到0 m/s，具有极大的速度梯度。气隙中流体的湍流切应力（粘性切应力以及雷诺应力）造成了流体的流动损失，这些损失以热的形式作用在高速永磁电机上，尤其是具有大速度梯度的转子表面。

受转子表面粗糙度及高线速度的影响，高速永磁电机气隙中流体流动性质表现为湍流，壁面附近湍流边界层可分为下述三个区域：

（1）贴近壁面处厚度极薄的粘性底层，该区域流动表现出层流状态，并且具有最大的速度梯度，其壁面切应力表现为粘性切应力，由于流体粘性产生的耗散主要是通过流体微团之间的剪切运动产生的，因此该区域对于风摩损耗的贡献最大。

（2）粘性底层外，由粘性底层向湍流区过渡的过渡区，该区域内流体受到的切应力由粘性切应力以及雷诺应力共同决定，其速度分布规律需要由试验确定。

（3）距壁面稍远处的充分发展的湍流区，该区域中雷诺应力起主导地位，粘性切应力可忽略。

由此可见，风摩损耗不单是由转子表面与流体摩擦产生的损耗，还包括流体相互作用产生的损耗。不考虑定子开槽影响，此时没有轴向流动的作用，定子与转子气隙中粘性流体的流动问题可归纳为泰勒-库埃特流动，其包括靠近定转子表面的两个粘性层以及中间充分发展的湍流层。由于高速永磁电机气隙很小，且存在定子和转子双壁面，因此充分发展的湍流层范围通常较小。

为了提高对于转子的冷却效果，气隙中一般会存在轴向流动的冷却流体，表现为在泰勒-库埃特流动的基础上引入轴向流动，这种流动称为泰勒-库埃特-泊肃叶流动，分布特性与切向速度分布类似。当流体的泰勒数超过临界泰勒数时将产生泰勒涡，其为流体径向速度与轴向速度的合成，表现出轴对称环型漩涡结构，泰勒涡的数量随着转子表面线速度的增大而减少。研究结果表明，引入轴向流动后，气隙中的泰勒涡会消失，并且存在一个临界轴向流速，使得对于转子的冷却效果最好。明确高速永磁电机气隙中流体的流动特性，对于风摩损耗的准确计算以及转子冷却结构设计起着至关重要的作用。

2.5 转子风摩损耗计算方法

由于传统解析方法精度较低并且无法适用于复杂结构的转子，目前计算精度高且适应性强的计算流体动力学（CFD）方法被广泛用来计算风摩损耗。在后处理中利用转子表面受到的制动力矩求解转子表面风摩损耗。然而，此方法只考虑了转子表面与流体切向摩擦产生的损失，无法考虑轴向流以及流体相互作用产生的损失。更精确的方法是通过计算流体的能量损失来得到转子风摩损耗。

基于三维流体场模型和有限元体积法，针对高速永磁屏蔽电机进行转子表面介质摩擦损耗计算和敏感性因素分析，研究转子转速、介质轴向流速、屏蔽套表面粗糙度对气隙内介质摩擦损耗的影响规律。研究结果表明，介质摩擦损耗与转子转速的2.88次方成正比。在电机转速增加的过程中，介质的流动状态发生较大变化，从均匀层流变为稳定湍流，并出现正常的泰勒涡。介质摩擦损耗随着转子护套粗糙度的增加而增加，转子侧表面粗糙度对摩擦损耗的影响更大。摩擦损耗随着流速的增加而增加，且损耗几乎随转子转速线性增加。为了简化计算过程并获得普遍适用的摩擦损耗计算公式，建立了四种参数模型来研究旋转流和轴向流的耦合效应对摩擦系数的影响，基于原始摩擦损耗经验公式，用无量纲雷诺数表示入口速度和转子转速。

 

三、高速永磁电机转子损耗抑制措施

3.1 转子涡流损耗抑制措施

根据转子涡流损耗产生机理及影响因素，高速永磁电机转子涡流损耗抑制措施可以归纳为三个方面：异步磁场产生源头、传播路径以及作用对象。

3.1.1 从异步磁场产生源头抑制

作用在转子上的异步磁场按性质分可分为空间谐波以及时间谐波，抑制空间谐波的最终目的是使气隙磁场正弦化，而抑制时间谐波的最终目的是使绕组相电流正弦化。

对于空间谐波的抑制主要聚焦于电机设计角度，如通过对齿槽结构进行优化来抑制齿谐波、采用准正弦绕组来抑制磁动势谐波以及优化转子磁极来提高气隙场正弦度。

虽然定子无槽结构不存在齿谐波，但无槽结构使得电机等效气隙更长、交流铜耗较大，在追求高功率密度的高速电机中并不适用。因此，高速电机大多采用有槽结构，定子开槽效应通常用气隙磁导函数来表征，其谐波成分由槽的分布和几何形状决定。当定子槽数增加时，齿谐波频率增大但相应的谐波幅值降低。由于交变磁场产生的涡流与磁场幅值以及变化率均相关，因此，定子开槽数量是对于谐波频率和幅值的权衡。

相关研究采用定子齿开辅助槽方法来抑制定子开槽引起的齿谐波。定子齿辅助槽改变了气隙磁导函数，削弱了传统齿槽结构产生的异步磁场。但需注意的是，受到转子线速度的限制，高速永磁电机定子内径一般较小，开辅助槽会导致定子齿部饱和程度增加，使得铁损增加。此外，定子槽楔常被用来固定绕组，以防止其脱落。基于此，磁性槽楔被用来缓解由槽开口导致的气隙磁导差异，进一步能够抑制气隙磁场的空间谐波。磁性槽楔的引入增大了定子漏磁，体现在定子漏感增大，这对控制策略引入的电流时间谐波有一定的抑制作用，但会在一定程度上降低电机输出功率并使得铁损增大。总的来说，通过优化定子齿槽结构来抑制齿谐波的方法，本质上都是改变气隙磁导函数，但此类方法或多或少会对电机的输出性能产生影响。

另一种抑制定子侧空间谐波的方法是抑制磁动势谐波，其主要实现方法是优化绕组形式。对于交流电机来说，其相绕组磁动势谐波幅值与绕组系数成正比，与谐波频率成反比。由于短距线圈可以抑制磁动势谐波，所以整数槽短距分布绕组在高速永磁电机中使用最为广泛。通过一台采用双层分布绕组的24槽2极电机的绕组系数与线圈节距（以槽数表示）的关系可以发现，基波绕组系数（Kdp1）随着节距的增加而增加，当节距等于9时，Kdp1小于0.9；而五阶谐波绕组系数与基波绕组系数的比值（Kdp5/Kdp1）在节距等于10时存在极小值，并且在节距从10变化到12时，Kdp5/Kdp1的增加幅度大于Kdp1的增加幅度。这说明，虽然大节距带来了高基波幅值，但同时也使得谐波绕组系数占比增大。因此，综合考虑基波绕组系数以及对谐波绕组系数抑制，示例电机优选的节距是10（整距为12）。

此外，由于分数槽集中绕组具有短且不重叠的端部并且能够提高电机的动态性能，其在高速永磁电机中也得到一定关注，尤其是在电动汽车领域。然而，分数槽集中绕组的特性决定了其含有丰富的磁动势谐波，对其磁动势谐波的抑制需要更加重视。从定子绕组形式出发抑制磁动势空间谐波，进而抑制转子涡流损耗的方法已有大量总结。总的来说，从绕组形式出发对整数槽分布绕组磁动势谐波进行抑制收益不大，多数研究还是聚焦于采用不同的连接方式抑制分数槽集中绕组产生的磁动势谐波。

除对定子侧进行优化外，转子永磁磁场正弦化也是抑制空间谐波的一种方法。目前，能够产生正弦磁场的Halbach表贴式永磁阵列在高速电机领域的应用日益增加。然而，相比于平行磁化方法，虽然按Halbach阵列排列的永磁体能够提高气隙磁场的正弦性，进而降低转子涡流损耗，但对于高速永磁电机功率的影响并不是绝对的（增大或减小）。因此，在相同条件下，使用Halbach阵列降低的转子涡流损耗需要与其对电机输出性能的影响做综合评估，不能盲目追求Halbach阵列永磁体，并且Halbach阵列永磁体对加工工艺的要求也更高。

对于采用平行磁化方式的永磁电机来说，优化气隙磁密波形的方法主要是改变转子磁极形状。但高速永磁电机转子护套的存在决定了永磁体外表面异形的结构不具有推广性，尽管可以使用异形的金属护套解决这一问题，但在高强度碳纤维护套的应用趋势下，该结构不具有优势。提出了一种T型排列不等厚永磁体结构，该结构中每极分段永磁体具有相同的外径，并且不等厚永磁体结构改善了极间漏磁。虽然此结构是基于Halbach阵列永磁体提出的，但在平行磁化转子中也具有应用潜力。因为平行磁化的转子气隙磁密幅值与永磁体厚度相关，通过优化不等厚永磁体的厚度，能够提高气隙磁场的正弦性，具有一定研究价值。

高速电机电枢绕组匝数一般较少，并且由于护套的存在，具有较大的电气隙，这使得高速永磁电机具有较小的电感，增大了控制难度。此外，电机电感越小，控制策略引入的电流纹波越大。对于小电感的高速永磁电机，提高功率器件的载波比是抑制电流谐波的最直接有效的方法。当母线电压远高于电机反电动势时，电流谐波的幅值与反电动势成正比，与SVPWM开关频率成反比。然而，高转速决定了高速永磁电机具有高基频，过大的载波比将导致功率器件的开关频率较高，增加开关器件的成本以及损耗，并且不利于控制系统的稳定性，这也是高速永磁电机一般选用较低极对数的原因之一。

因此，为了抑制电流时间谐波，一些方法从提高定子电感的角度出发。一种思路是在电机输出端与控制器之间连接滤波电抗器；另一种思路是从电机本体设计角度来提高定子电感，如定子内嵌电感以及采用定子悬垂结构。但上述提高高速永磁电机定子电感的方法会使系统的体积和重量增加，并且降低电机动态响应性能。

另一种抑制方法是使用多电平拓扑结构。目前电压源全控型变频器控制拓扑结构中，使用最为广泛的是两电平拓扑结构，其输出电压具有正负两种状态，是最基础的电压源型拓扑结构，技术手段较为成熟，易于设计与实现。然而两电平拓扑的输出谐波含量较高，通常需要额外的滤波设计。典型的多电平拓扑为三电平拓扑结构，其输出相电压中包含三种电平（正电压、零电压以及负电压），相比于两电平拓扑，其通过增加输出电压的中间状态，使得输出波形更加接近正弦波，有效地降低了谐波含量。但三电平拓扑需使用更多额外开关器件，使得系统复杂性增加，并且提高了控制器的热管理难度。

此外，还可在高速永磁电机与控制器之间加装滤波器，如三相LC滤波器以及三相LCL滤波器。滤波器的引入能够有效抑制电流纹波，但需要更先进的控制算法来解决滤波器带来的系统稳定性波动问题。

3.1.2 从异步磁场传播路径抑制

在异步磁场传播路径上对转子涡流损耗进行抑制的主要方法是使用屏蔽层来隔绝作用在转子上的异步磁场。根据交变磁场的频率高低，屏蔽方法可分为两种：1）低频磁场：其在金属中的穿透能力较强，一般使用具有高导磁能力的材料改变其传输路径以实现对其的屏蔽；2）高频磁场：利用其在金属导体中引起的涡流产生的感生磁场对其进行抵消。高速永磁电机转子外界交变磁场屏蔽通常从护套入手。与上述交变磁场屏蔽思想对应，转子护套也分为磁性材料护套以及非磁性材料护套。

磁性护套一方面能够减小电机的等效气隙长度，但另一方面也增加了转子漏磁。为了有效屏蔽转子外界交变磁场，需要选择具有合适磁导率的材料。提出使用坡莫合金作为护套材料，虽然其电导率低于铜，但高磁导率弥补了这一劣势，因此该护套具有较小的趋肤深度。进一步地，使用了一种叠片形式的磁性护套来抑制涡流损耗。然而，磁性护套机械性能一般较低，限制了转子向更高速化的发展，并且磁性材料在高频磁场的作用下还存在着较大的磁滞损耗，对转子散热也产生不利的影响。

而非磁性护套在高速永磁电机领域使用较为广泛，如钛合金、镍基合金以及复合材料护套。在外界交变磁场的作用下，导电护套中产生涡流反磁场以抵消外磁场的作用。由此可见，护套的电导率越大，趋肤深度越小，所需厚度越小，在电机性能约束下的屏蔽效果越好。此外，利用导电护套屏蔽异步磁场实际上是一种损耗转移，该方法将永磁体上的损耗转移到了护套上。由于护套具有更好的散热条件，所以该方法既抑制了永磁体涡流损耗，也提高了转子散热能力。

另一方面，为了抑制金属护套中的涡流损耗，在护套表面开槽的结构也被应用在高速永磁电机中。研究结果表明，由于护套的轴向尺寸一般大于周向尺寸，因此沿周向开槽对护套的涡流损耗抑制效果更好，其有效地隔绝了涡流轴向流动路径。类似的思想也被应用在其他文献中，其根据涡流流动路径对护套进行挖孔，将金属护套上的涡流环路进行切割。然而，对金属护套中的涡流损耗进行抑制导致了下述问题：首先，抑制护套中的涡流削弱了护套对作用在永磁体上的异步磁场的抑制作用，对于转子总损耗的影响不一定是积极的；其次，此类方法破坏了护套结构的完整性，对护套强度的影响需要进一步研究，并且护套开槽提高了转子气隙流体的湍流程度，对风摩损耗的影响也需进行评估。

由于碳纤维护套电导率相对较低，对异步磁场的屏蔽作用极其微弱。为了对使用碳纤维护套的转子外界的交变磁场进行屏蔽，通常采用组合护套的形式。考虑到转子的机械强度，需要将屏蔽层放置于永磁体与碳纤维护套之间。并且，受限于气隙空间，金属屏蔽层不能太厚，因此具有高电导率的薄铜层是较好的选择。设计结果表明，用0.5 mm铜与1.73 mm镍基合金构成的复合护套方案最优，该复合护套在满足机械强度的前提下，与3 mm单层护套相比，厚度减少了25%、涡流损耗降低了56%，且转子表面磁场谐波含量更低，电机效率提高了3%。

3.1.3 从异步磁场作用对象抑制

由于转子护套以及转子铁心能够直接与冷却介质接触，二者散热能力均优于永磁体。因此，在交变磁场的作用对象中，采用措施来抑制永磁体涡流损耗能够带来最大的收益。常用方法是通过永磁体轴向以及周向分段来切断涡流传输路径。此种方法对于电阻限制型的涡流损耗（不考虑趋肤效应）能够起到较好的抑制作用，永磁体分段增加了其等效电阻。

对于电抗限制型的涡流，由于趋肤效应的影响，涡流分布于永磁体边缘较薄的区域内，不合适的分段反而会适得其反。通过给出不同尺寸下的永磁体涡流损耗的计算式指出：当永磁体尺寸大于2倍趋肤深度时，随着永磁体分段数的增加，涡流总流动路径增加，涡流损耗随分段数增加而增加；当永磁体尺寸小于2倍趋肤深度时，永磁体中的涡流变为电阻限制型，涡流损耗随分段数增加而减小；当永磁体尺寸接近2倍趋肤深度时，永磁体涡流损耗达到最大。因此，为了对永磁体涡流损耗进行有效抑制，其分段数应根据异步磁场频率进行确定。然而，作用在永磁体上的异步磁场频率并不是单一的，按照最小趋肤深度作为分段依据是不现实的，需综合考虑对永磁体涡流损耗起到主要作用的异步磁场频率以及加工难度确定永磁体分段方案。

此外，对于高速永磁电机转子来说，每一个部件的涡流损耗并不是孤立的。转子各部件的涡流损耗存在着相互制约的关系，如金属护套对永磁体中的涡流损耗起到抑制作用，而永磁体对转子铁心中的涡流损耗起到抑制作用。研究表明，永磁体分段使得其对块状合金铁心中的涡流损耗屏蔽作用减小，虽然永磁体分块降低了永磁体中的涡流损耗，但转子整体的涡流损耗不一定会降低，只有采用叠片铁心时，此方法才能够有效抑制转子涡流损耗。但这也给转子冷却提供了一种新思路，即将永磁体中的涡流损耗通过分段的方式转移到与外界直接接触的转轴上，再通过转轴将热量排出到环境中。

3.2 转子风摩损耗抑制措施

为了避免转子高速化带来的风摩损耗对转子热管理的不利影响，有必要对其进行抑制。对于切向迎风面积为0的圆柱形转子来说，其粘性底层的粘性耗散与转子表面粗糙度有关。转子表面粗糙度直接影响了气隙中流体的流动状态，分为两种情况：当贴近转子表面处雷诺数较小时，粘性底层较厚，此时粘性底层完全掩盖了转子表面粗糙凸起，则转子表面粗糙度对湍流不起作用，称为水力光滑；当雷诺数较大时，转子表面粗糙突起高于粘性底层，对粘性底层起到破坏作用，造成湍流加剧，阻力变大，称为水力粗糙。因此，为了抑制转子表面的摩擦损耗，在加工中，需要对转子表面粗糙度提出更高的要求。然而，为了保证碳纤维护套的机械强度，一般不会对碳纤维绑扎的转子表面进行打磨。需要注意的是，转子表面粗糙使得流体湍流程度增大对于转子散热并不总是消极的。研究了碳纤维护套圆度误差对于转子表面摩擦损耗的影响，结果表明圆度误差增大使得气隙流体的湍流程度增大，虽然提高了风摩损耗，但增大了气隙中流体的对流传热系数，有利于提高定转子表面散热能力。

而对于切向迎风面积不为0的凸极转子，如高速磁通切换永磁电机转子，较大的迎风面积显著提高了转子风摩损耗。抑制此类凸极转子风摩损耗的方法主要是在凸极转子间添加磁桥，并在两端添加盖板，使转子成为圆柱形，但转子凸极间的磁桥提供了转子漏磁回路，牺牲了一定的电机性能。为了不影响电机的电磁性能，并对风摩损耗进行有效抑制，提出了一种定子使用非磁性槽楔而转子填充聚醚醚酮（PEEK）材料的组合方法，研究表明材料热膨胀性的差异不会使得转子在高温下发生显著变形。然而，此结构降低了气隙中流体的湍流程度，导致转子表面对流换热系数降低；同时，PEEK材料的热导率仅为0.47 W/(m·K)，使用其对转子封装，阻碍了转子内部热量的耗散。因此，该结构虽能有效抑制风摩损耗，但对转子散热的影响不一定是积极的。

综合来看，对于转子风摩损耗的抑制关键在于如何提高定转子表面的圆度，但气隙中流体湍流程度的降低对于转子表面冷却效果的影响需要综合的对比分析，以确定最佳的风摩损耗抑制方案。

 

四、高速永磁电机转子冷却技术

传热学中指出，热量的传递具有三种形式：热辐射、热传导以及热对流。对于高速永磁电机转子来说，这三种热量传递方式往往同时存在，例如转子与定子间的热辐射、固体部件之间的热传导以及转子与冷却介质间的热对流。

对于超高速电机以及飞轮储能电机，为了降低风摩损耗，其转子常工作于真空密封环境中。在这种条件下，转子中的热量只能先通过热传导或热辐射传递到定子上，然后再结合定子冷却技术将热量排出。首先，对于热传导，转子与定子间只能依靠接触式轴承进行热传导。一方面，复杂的传热路径增加了导热热阻，降低了热传导效率；另一方面，热量经过轴承，对于轴承的温升也产生消极影响。其次，对于采用非接触式轴承（如磁浮轴承、气浮轴承）的情况，真空条件下，转子热量只能通过热辐射的形式进行耗散。

显然，热辐射传热量与转子表面的发射率正相关。一般来说，金属材料的发射率较低，在打磨抛光后会进一步降低，例如在常温下，无金属光泽的黄铜发射率为0.22，打磨后仅为0.05；而非金属材料的发射率一般在0.85~0.95之间。因此，在转子使用合金护套时，为提升护套表面的热发射率，需要将其表面进行黑化处理。尽管碳纤维护套的表面热发射率相对较高，但其较低的热导率导致内部热源产生的热量无法导出，所以使用碳纤维护套的转子也不能通过热辐射高效散热。此外，传递到定子上的热量也需要结合其它冷却手段进行耗散。对比了只采用真空辐射冷却以及真空辐射结合定子水冷的冷却方式对于飞轮储能用永磁同步电机温度场的影响，结果表明，在高损耗密度的情况下，单纯的热辐射的散热效率较低，与定子水冷结合使用，能够有效地降低转子温升。

需要说明的是，高速永磁电机内部的热辐射以及热传导都是电机各部件之间的热量传递，而转子冷却的最终目的是将转子热量释放到外界冷却介质中，这只能通过对流换热实现。因此，目前高速永磁电机转子散热多使用低温冷却介质流过转子表面时与高温转子进行热量传递从而对转子进行冷却的方案。按照冷却介质的状态，转子冷却形式可以分为：（1）通风冷却：使用气体作为冷却介质，如空气、氦气；（2）液冷：使用液体作为冷却介质，如油冷、水冷。

4.1 转子通风冷却

除一些特殊工作环境，高速永磁电机通风冷却一般采用空气作为冷却介质。为了保证足够的冷却流量，需要提供额外的风压。而风压的来源一般有两种：一种是外部额外配备的风机；另一种是在转轴上安装随转子同步旋转的轴流式或离心式风扇。前者产生的风量可以通过改变风机转速进行调节，但额外的风机会增加系统的复杂性；而后者风扇的转速与转子旋转速度相同，风量无法调节，但与转轴集成的结构使得风道设计更具有自由度。

在电机内部存在两条轴向风道：1）定子铁心与机壳间的通风道；2）转子外表面与定子内表面间的气隙。通常采用将定子绕组抬高，空出槽口空间的方法来提高转子表面对流换热效果。为了解决冷却流体轴向流动导致的电机温度分布不均匀问题，提出了一种分段式槽楔结构，通过改变轴向流道截面积使得电机轴向温度分布更均匀，尽管相关研究针对定子油冷结构进行研究，但类似的思想同样可用于风冷结构，以使得转子温度沿轴向分布更加均匀。

转轴与永磁体上的热量首先通过热传导传递到转子护套的表面，再通过对流换热的形式被外界流体带走。合金钢转轴的热导率远高于碳纤维护套。因此，通过气隙通风对转子进行冷却具有以下两个弊端：1）高速电机转子尺寸一般较小，使得转子表面散热面积较小；2）具有高比强度的碳纤维护套虽然能够提供更大的预紧力，但其热导率较低，具有“保温”作用，不利于转子内部热量耗散。

因此，为了提高高速永磁电机转子通风冷却效率，目前的新型冷却技术通过在转子内部设置通风道提高对流换热效率。转子上的热量首先传递到具有较高热导率的转轴上，再被流过转子内部的冷却流体带走。相比于气隙通风冷却，该方法能够高效地将转子内部的热量导出，提高对于永磁体的冷却效果。然而，转子内部轴向通风道的存在增加了转子的加工难度。磁通切换永磁电机得益于其凸极转子间与生俱来的通道，避免了额外设置转子轴向通风道，进一步地，在转子凸极上集成扇叶，能够实现在不增加额外冷却设备的同时实现高效的自冷却。

然而，高速永磁同步电机不具备磁通切换永磁电机这样的特殊结构。因此，为了使得空气能够流过转子内部，常用的方法是在转子铁心上开轴向通风孔。此外，在转子轴向通风道的基础上设置径向通风道，与定子通风道相配合，能够进一步提高整机的冷却效果，并且在转子高速旋转时，径向通风道还能够起到离心式风扇的作用，对空气进行加压。基于此特性，提出了一种轴向通风自冷转子结构。自通风冷却转子能够简化系统的冷却结构，避免额外配备风机或扇叶，但同时也提高了转子加工的难度，并且由此带来的风摩损耗以及转子运行稳定性问题需要更深入地分析。

在转子轻量化趋势的背景下，空心转轴成为高速电机的应用趋势，这在提升转子动力学特性的同时，也为转子通风冷却提供了新的思路。将空心轴作为通风道，并在其内部设置扇叶翅片，实现了利用空心轴结构的通风冷却。相比于转子铁心开通风道结构，该结构发挥了空心轴自身的结构特点，降低了加工难度。将空心轴作为冷却流道的思想在转子油冷方案中有较为广泛的应用，但其在转子通风冷却方案中同样存在潜力，具有研究价值。

4.2 转子液冷技术

在一些特殊工作环境以及高散热需求的场景下，转子通风冷却表现得不尽如人意。因此，为了实现高功率密度需求下的转子散热，以转子油冷为代表的液冷方案受到更多关注，特别是在配备滑油的电推进系统中。如前所述，转子油冷通常需要通过空心转轴结构实现，转子内部通风冷却的优点可推广到空心轴油冷。但直通式空心轴油冷结构最少需要一对高速动密封结构，这增加了长期高速运行下的泄漏风险。此外，直驱式高速发电机其驱动端需与原动机连接，这也不利于在驱动端安装密封结构。因此，进出口均位于非驱动端的循环式空心油冷结构由于减少了动密封件的使用，在转子油冷中受到青睐。对比分析了直通式空心轴油冷结构与循环式空心轴油冷结构的优劣势，结果表明，受到高速油液摩擦损耗的限制，循环式空心轴油冷在低速、低流量条件下冷却效果更好。

上述两种方式主要考虑对于转子的冷却，而取消定子油套的喷油冷却能同时满足定子和转子冷却需求。一种方式是基于转子空心轴通油冷却，在转子上开径向喷油孔，实现对于转子和定子绕组端部的冷却。该方法利用转子高速旋转时产生的离心力将空心轴内的油喷射到绕组端部。由于该结构中，喷射到绕组端部的油在空心轴中流过的距离不同，从而使得电机温升分布不均匀。因此，提出了一种新型的空心轴喷油冷却结构，通过径向油道和永磁体腔对油液进行重新分配，使得流出喷油孔的油液温度保持平衡。该结构的另一个值得关注的点在于，其利用了V型内置式永磁体特有的永磁体腔，将其作为冷却油道，避免了引入额外的流道，不会对电机性能及加工制造产生影响，类似思想也用于电励磁的转子油冷中，其将转子绕组底端的空间作为冷却油道。

另一种喷油冷却结构其喷油嘴位于定子侧，油液经过喷嘴形成油雾，散布于绕组端部和转子表面，从而带走热量，该结构冷却效果取决于喷嘴数量、喷嘴角度以及其安装位置。然而，其油液主要分布于转子表面，冷却效果有限。

然而，对于转子喷油冷却来说，不可避免地存在着油液进入气隙的风险。由于油液粘度远高于空气粘度，进入气隙的油液会导致机械摩擦损耗增大，对转子冷却产生不利的影响。相关研究探究了油液进入气隙对于电机的影响，结果表明，油液进入气隙使得气隙中的流体变为油气混合物，摩擦损耗随着油液所占体积以及转速的增大而增大。过大的摩擦损耗对于转子散热以及碳纤维护套的可靠运行是不利的。因此，设计高速永磁电机转子油冷结构时，避免油液进入气隙对于保证电机的运行稳定性至关重要。

此外，由于冷却油的粘度较高，这会带来较大的流动阻力与损失。为了提升转子的冷却效果，提出了一种转子螺旋水道结构，试验证明该水冷结构具有较高的冷却效率。然而，使用水作为冷却介质，需要着重考虑转子锈蚀以及绝缘问题。

4.3 两种冷却技术对比分析

综合而言，转子通风冷却与液冷技术各有优劣：前者凭借简单的结构降低了系统复杂性，但散热能力相对有限；而后者虽显著提升了冷却效率，但增加了系统复杂度，对可靠性提出了更高要求。二者并非简单的替代关系，而是在不同应用场景下的按需选用。因此，在选择高速永磁电机转子冷却介质时，应紧密结合其应用场景，综合考虑功率密度要求、运行转速特性及成本约束等多重因素。例如，在鼓风机等对结构轻量化与运维便利性要求较高的场景中，转子通风冷却因无需额外流体循环系统，更易实现；而在多电飞机等对空间利用率与功率密度较为敏感的场景中，转子油冷技术则凭借着与传动系统的高度集成，展现出更优的综合适应性。

另一方面，适用于两类冷却介质的转子冷却结构的设计具有相同的思路，即尽可能降低冷却介质与核心部件——永磁体之间的热阻。还需要注意的是，无论使用哪种性质的冷却流体，都会增大转子的摩擦损耗，但冷却流体的引入提高了转子散热能力，足以抵消这部分摩擦损耗带来的温升。

进一步地，转子冷却结构的多样化使得转子温升计算更加复杂，相比于集总参数热网络法以及有限元法，CFD方法在拓扑适应性以及计算精度方面都表现得更为优异。常见的 thermal 分析方法包括集总参数热网络（LPTN）、有限元法（FEM）和CFD。其中，CFD提供了更高的精度和详细的温度分布，但同时也面临着冗长的建模过程以及求解时间。合理的模型简化与合适的边界条件是降低模型复杂度、保证计算精度的关键。

 

五、总结与展望

高速永磁电机转子热管理技术包括转子损耗抑制与转子高效冷却两个核心内涵，是对输出性能、结构强度以及冷却效果三个维度的综合考量。本文系统地综述了高速永磁电机转子热管理技术的研究进展。首先，从转子损耗产生机理与影响因素出发，对高速永磁电机转子损耗抑制措施展开了分析和讨论；其次，基于转子结构与传热特性，对比探讨了不同冷却方案的优劣。结合目前高速永磁电机转子热管理技术研究现状和发展趋势，仍需对以下相关方向开展深入研究，核心要点梳理如下：

1）高速永磁电机基频高、电感小，其转子损耗中占比较大的涡流损耗由控制策略引入的相电流谐波导致，忽略电流谐波计算出的涡流损耗存在较大的误差，以此为依据进行冷却设计会使得转子在实际运行中产生过热风险。研究变流控制谐波作用下的转子涡流损耗快速精确计算方法，对实现转子损耗的精准抑制与高效冷却设计具有重要意义。

2）高转子表面线速度导致高速永磁电机气隙中的流体具有复杂的流动特性，转子表面粗糙度、冷却流体的粘度以及流动性质对于风摩损耗以及冷却效果的影响并不是绝对的。明确各因素之间的耦合关系对于合理的冷却结构设计至关重要。

3）从电机本体层面出发的转子涡流损耗抑制方法往往会牺牲高速永磁电机输出性能；而单一的电机控制层面的抑制方法伴随着系统复杂度的提高。探索电机本体与控制策略的协同优化设计是抑制异步磁场的关键研究方向。

4）转子屏蔽层以及永磁体分段本质上是将散热条件恶劣的永磁体上的损耗转移到散热条件更优的屏蔽层或转轴上。随着新型电工材料的不断涌现，亟待开展屏蔽层材料、永磁体材料及转子铁心材料的选择及其组合特性对转子总损耗的影响研究。

5）对于追求高可靠性的高速永磁电机，转子冷却结构设计应着重于如何充分利用电机自身结构特性来优化冷却路径、降低冷却结构的复杂性以及如何设置合理的流体流动路径来降低永磁体传热热阻。

综上所述，转子热管理是高速永磁电机设计过程中至关重要的一环，持续开展转子热管理技术研究对于推动高速永磁电机在工业装备升级与绿色交通转型中的规模化应用具有核心战略意义。

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