永磁电机对温度的要求（永磁电机温度范围）

1.电机多物理场分析方法

在低温到高温的宽温度范围内以及真空等恶劣的航天环境下，永磁电机的电磁参数变化较大，材料发生非线性变化，电磁场、温度场等各种物理场之间的耦合关系、流体场、应力场更加复杂，一般情况下可以忽略的多物理场耦合关系变得不可忽视，成为关键技术问题。

电机的铁损、风摩损、电机温升不仅与环境温度、压力密切相关，而且相互影响。在真空环境中，散热条件特殊，与相邻部件的形状和表面特性有关。热辐射与表面温度呈非线性关系。从真空到高压的变化会影响应力和材料特性的变化，使得电机的多物理场建模变得更加困难。因此，永磁电机在恶劣环境下的物理场之间的耦合关系非常复杂，研究各种物理量与物理场之间的耦合关系及其动态变化非常困难。

永磁电机的多物理场分析方法主要是数值分析方法和有限元分析方法。在数值分析方面，常见的建模方法有传统矩阵法、键合图法、连接法、网络法等。钟炬院士等。提出了复杂机电系统全局耦合分析和耦合并行设计的基本理论。

何尚红教授等提出了建立复杂网络拓扑的建模矩阵方法，建立了机、电、液传递矩阵的统一模型。文献采用广义控制系统建立统一的发动机多场耦合数值模拟数学模型，解决气体、热、弹性耦合的变域差分问题。介绍了多场耦合的节点映射方法，讨论了场内的荷载传递。

然而数值分析方法在耦合建模和求解方面仍存在许多问题。由于过多的假设和忽略的因素，导致计算精度不足。在有限元分析方面，许多CAD/CAE软件公司，如Ansys、Flux、SIMULIA、UGS等，都开发了多物理场耦合计算工具，已应用于航空航天声学、磁流体力学、动态流体结构等领域。互动等领域。电磁计算精度和效率逐步提高。 《国际多物理杂志》于2007年在英国创立，每年举办多场耦合会议，重点关注数值模型、模型计算和实验研究，包括电机的多物理分析。

就传统的多物理场耦合分析而言，交替迭代法可以有效解决弱耦合和周期性稳态强耦合场问题，而直接耦合法是分析瞬态强耦合场问题的最佳方法。初始多场耦合计算采用顺序单耦合迭代方法，计算量较小。但由于没有考虑多场耦合，计算精度较差。针对单一顺序耦合的缺点，提出了同一模型的顺序耦合计算方法，省去了两次建模过程。但多个物理场的耦合模型分割要求一致、合理，否则计算结果会出现明显差异，且计算量比较大。

同时，在分析含有外部电路的无刷直流电机时，还需要结合场路耦合分析，妥善处理非线性电路分析中仿真步长与计算量之间的矛盾。可见，由于高温电机中耦合物理场数量众多、耦合关系复杂、环境边界复杂，现有的耦合场建模和解耦计算方法需要进一步完善。

2、电机材料和器件特性的变化

传统电机使用的永磁体、电磁线、绝缘材料等材料在高温、低温等恶劣环境下使用时，会出现性能下降、失效、可靠性降低等问题。另一方面，永磁电机材料的特性在高温环境下会发生变化。当温度范围接近300时，硅钢片的特性发生显着变化。电磁线的导电特性变化近3倍。钐钴永磁材料特性改变30%。流体粘度特性可能变化10倍以上，绝缘材料的导电特性和介电强度特性都会发生变化。

耐高温永磁电机常采用钐钴永磁材料。钐钴Sm2Co17永磁材料的工作温度高达350。当工作温度较高时，可考虑采用AlNiCo材料。其最高工作温度可达520，温度系数为-0.2%/。但其矫顽力较低，通常小于160kA/m。磁路中其退磁工作点在设计时必须检查。目前已开发的新型稀土永磁材料，如钕铁氮、钐铁氮等，其最大磁能积高达40MGOe，是钕铁硼磁粉的近3倍，并且原材料成本是钕铁硼磁粉的1倍。 /3，但仍处于实验室开发阶段。

硅钢片的磁化曲线和损耗特性曲线对于电机的损耗计算和过载能力计算非常关键；硅钢片叠片胶的热稳定性直接影响电机在高温、高速运行下的安全性和稳定性。日本学者高桥等。使用700个节点的网络模型分析单匝线圈旋转电机定子线圈股线的温度分布；分析了高温膨胀产生的机械应力对硅钢片磁性能的影响。结果表明，随着压应力的增大，硅钢片的导磁率显着下降，比总损耗显着增大。绝缘材料的绝缘性能影响着电机的安全运行、可靠性和寿命。

美国杜邦公司生产聚酰亚胺薄膜和聚酰亚胺胶带，用于电机电磁线绝缘和电机槽绝缘。最高耐温可达400。如果电机产生的热量导致温度超过500，可以采用陶瓷绝缘。

在高温环境下，电子器件的特性不仅发生显着变化，还会出现热噪声等特殊现象。例如，模拟器件的参数和线性度差异很大；数字电路的抗干扰性能变差，出现热噪声等特殊现象；功率器件的输出特性发生变化，电容、电阻参数漂移明显。

发达国家已经开发出了能够抵抗恶劣环境的电子设备。但由于技术保密，可供查询的文献资料很少。由于材料特性和器件特性是电机和驱动控制电路设计的基础，在高低温等恶劣环境下，获取电机材料和电子器件特性的变化规律并建立精确的模型是高性能电机的关键技术。耐温永磁电机。问题。

3、永磁电机损耗、温升及冷却分析

在高温环境下，永磁电机的材料特性发生变化，导致铁损、绕组铜损、转子损耗发生显着变化。在传热方面，电机内部真空或充油时传热方式不同，电机内部温度分布复杂；在散热方面，航天电机的冷却环境和冷却条件受到限制，很难设计水冷、风冷等措施。这使得散热变得困难。

当电机在高温、高速、高功率密度等极端条件下运行时，其发热温升更为严重。电机温升过高会导致永磁体不可逆退磁，损坏漆包线绝缘层，甚至烧毁电机绕组。因此，准确计算损耗和温升是耐高温永磁电机设计和分析的关键技术之一，而电机的温升也是影响电机可靠性和寿命的最重要因素。发动机。

目前，永磁电机热问题的研究主要集中在热计算方法上。热计算方法主要有五种：公式法、等效热路法、热网格法、温度场法和参数辨识法，其中温度场法是目前最常用的方法。

热源（电机损耗）的计算是温度场计算的基础。铜损的计算应主要考虑绕组电阻值对外部环境（如湿度、温度等）的影响，以及槽内导体的集肤效应。对于电机铁损的计算，目前较为准确的铁损计算方法是基于分离铁损模型。根据产生原因不同，铁损分为磁滞损耗、涡流损耗和杂散损耗。分别计算旋转磁化强度和交变磁化强度。

在计算中，铁损系数和修正系数的确定至关重要。在高温环境下，电机负载变化范围较大，不仅导致电机绕组电流变化影响铜损的产生，而且造成气隙磁密波形的非正弦性影响铁损。因此，高温环境下永磁电机损耗的计算需要综合考虑外部环境温度、电机极限性能和工作条件等各种影响因素。

以损耗为热源，考虑电机的传热和散热路径，建立电机的温度场，以获得电机各点的温度和温升规律。一般情况下，电机温度场模型中电机材料的热系数是一个常数，但在高温环境下，不仅电机损耗是时变的，电机的导热系数等热参数也会随时间变化。电机材质还受到环境压力、温度等变化的影响。

因此，需要充分考虑恶劣环境因素，采用数值计算和有限元分析相结合的方式研究永磁电机的热问题，并通过模拟实验环境进行测试和验证，这是扩大永磁电机应用范围的关键。高温环境条件下永磁电机系统的安全运行。重要保证。

4、电机故障机理及寿命估算方法

永磁电机及电子电路在高温环境下发热，更容易导致电机及其驱动控制器的性能下降甚至失效。在电机失效机理研究方面，主要研究绝缘层失效和永磁体退磁。由于缺乏准确的老化数学模型以及难以定量描述绝缘失效机理，电机绝缘的研究一直是电机绝缘诊断技术中的难题。目前的方法主要是利用无损参数来预测残余击穿电压，从而评估电机的绝缘状态。

永磁体损耗的主要原因是高温或高低温交替环境下涡流场引起的损耗温升。因此，研究主要集中于涡流场的计算，并通过主绝缘性能的评估来实现电机寿命的预测。预测。

目前国内对电机寿命的研究主要集中在大型电机的研究。这是因为大型电机的运行条件复杂、恶劣。在长期运行过程中，绝缘逐渐老化，击穿电压逐渐降低。然而，对于中小型电机的寿命，研究却很少，尤其是永磁电机在高温环境下的失效机理和寿命预测。事实上，对于工作在极限性能状态或耐高温环境下的中小型电机，由于其极端应用，永磁电机的电磁负载设计较高，电机绝缘老化速度也较快。传统电机。还存在绕组绝缘老化问题。击穿故障导致电机烧毁等问题。

另外，常规电机的电磁负载设计通常不是很高，往往会延长电机的设计寿命，以保证电机的可靠性。耐高温永磁电机的设计旨在追求电机的环境适应性和极限应用。只有清楚认识电机故障机理、准确预测电机寿命规律，才能在电机设计和应用中真正实现这一目标。因此，耐高温永磁电机的失效机理和寿命预测研究是另一个关键技术问题。

5、高低温环境下永磁电机驱动控制技术

在高低温环境下，电机系统的器件特性和指标变化较大，电机模型和参数复杂，非线性增加，耦合程度增大，功率器件损耗变化较大。不仅驱动器的损耗分析和温升控制策略复杂，而且四象限运行控制更为重要。传统的驱动控制器设计和电机系统控制策略无法满足高温环境的要求。

常规设计的驱动控制器工作在相对稳定的环境温度条件下，很少考虑质量、体积等指标。但在极端工作条件下，环境温度在-70180的宽温范围内变化，大多数功率器件在如此低的温度下无法启动，导致驱动功能失效。另外，由于电机系统总质量的限制，驱动控制器的散热性能必然大大降低，进而影响驱动控制器的性能和可靠性。

在超高温条件下，成熟的SPWM、SVPWM、矢量控制方法等开关损耗较大，应用受到限制。随着控制理论和全数字控制技术的发展，速度前馈、人工智能、模糊控制、神经元网络、滑模变结构控制、混沌控制等各种先进算法已应用于现代永磁电机伺服控制中。申请成功。

Calogero Cavallaro提出了包含铁损的永磁同步电机动态模型，并基于该模型提出了内置永磁同步电机损耗最小化控制算法。然而，各种控制策略都有各自难以克服的缺点，特别是环境变化引起的参数问题、耦合问题、损耗问题、模型复杂性等，使得目前的方法具有局限性。

对于高温环境电机驱动控制系统，必须以物理场计算为基础，紧密结合材料和器件特性的变化特性，建立电机-转换器集成模型，并进行场路耦合分析，充分考虑环境对运动系统特性的影响。只有充分利用现代控制技术和智能控制技术，才能提高电机的综合控制质量。另外，工作在恶劣环境下的永磁电机难以更换和长时间运行，且外部环境参数（包括：温度、压力、气流速度和方向等）变化复杂，导致电机系统遵循操作条件。因此，有必要研究参数摄动和外部干扰下的高鲁棒永磁电机驱动控制器的设计技术。