瀋陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心、瀋陽工業大學機械工程學院的研究人員張超、陳麗香、於慎波、孫寧、王曉宇，在2019年第9期《電工技術學報》上撰文，針對高速表貼式永磁轉子的不同保護型式，建立了三層配合下的表貼式永磁轉子應力解析計算模型，基於該解析計算模型對鈦合金護套和碳纖維護套保護下的永磁轉子進行設計，並通過有限元法對解析計算模型的正確性進行驗證。
研究了不同護套材料、過盈量、極間填充材料、溫度等因素對護套等效應力的影響規律。建立了高速表貼式永磁轉子渦流損耗與溫升的計算模型，研究了不同護套保護措施、不同填充材料下，永磁轉子渦流損耗分布與永磁體溫升特性。在此基礎上，完成了一臺高速表貼式永磁電機的設計與製造，並進行了實驗，結果證明了該文計算分析的正確性。
高速永磁電機體積小、功率密度高、效率高，廣泛應用於航空航天、高性能伺服、分布式發電以及飛輪儲能等領域。隨著電機轉速的升高、頻率的增加，高速電機在機械、損耗、熱特性等方面與常規中低速電機有明顯不同，其綜合設計方法也不同於常規轉速電機。
高速永磁電機轉子線速度的增加導致轉子所承受的離心力增大，永磁體難以承受較大的拉應力，容易引起永磁體的損壞。通常，在高速表貼式永磁轉子外加裝屈服強度較高的護套，使永磁體承受的壓應力或高速下永磁體所承受的拉應力在允許範圍內，同時亦要保證護套的安全可靠。
有學者採用解析計算與有限元法分析了各向同性金屬護套高速永磁轉子的強度，為高速永磁轉子的強度計算提供了有意義的參考。有學者基於簡化的應力解析法計算了高速表貼式永磁轉子碳纖維護套的應力分布，並分析了極弧係數小於1時彎曲應力對護套等效應力的影響，但簡化解析模型計算誤差較大。
有學者從高速永磁發電機的電磁性能出發，採用有限元法分析了不同護套材料對高速永磁發電機的損耗、輸出電壓、溫度等特性的影響。有學者分析了不同護套材料應用於高速永磁轉子中對轉子機械強度的影響，從機械強度角度出發，總結了不同護套材料下永磁轉子的設計規律，但其解析計算模型忽略了永磁體與轉軸間的邊界條件。
有學者採用多物理場耦合計算方法分析了不同護套材料下高速永磁轉子強度、永磁體尺寸、轉子動力學性能等特性，為高速永磁轉子的優化設計提供了參考。有學者基於電磁有限元與三維流體場方法，針對一臺60000r/min的高速永磁發電機，分析了合金護套高速永磁轉子的損耗與溫升分布，驗證了高速永磁轉子溫升計算的有效性。
有學者建立了碳纖維護套保護下的應力解析計算模型，但未計及溫度的影響因素。有學者採用有限元法分析了合金護套表面開槽對轉子渦流損耗、永磁體溫升、轉子應力的影響，提出了合金護套下高速永磁轉子渦流損耗的抑制措施。
本文建立了三層配合下的表貼式永磁轉子應力解析計算模型，並基於該解析計算模型對額定功率15kW、轉速30000r/min的電機護套進行了設計，通過有限元法對解析計算模型的正確性進行了驗證。分析了碳纖維護套與鈦合金護套保護下的轉子應力分布特性以及極間填充材料、溫度對轉子應力的影響規律；建立了高速永磁轉子渦流損耗與溫升的計算模型，分析了不同護套材料、不同極間填充材料對轉子渦流損耗與永磁體溫升的影響。
在上述計算分析基礎上，完成了一臺高速表貼式永磁電機的設計與製造，並進行了實驗測試，結果證明了本文計算分析的正確性。
圖1 高速表貼式永磁轉子結構
圖18 高速電機樣機結構結論
本文採用解析計算與有限元方法分析了不同護套材料、不同極間填充材料下高速永磁轉子的應力分布、渦流損耗分布與永磁體溫升，得出如下結論：
1）建立了三層配合下的高速表貼式永磁轉子應力解析計算模型，並在解析計算模型中計及了溫升的影響因素，通過有限元法驗證了解析計算模型的正確性。
2）相同過盈量下，碳纖維護套與永磁體間的接觸壓力大於鈦合金護套與永磁體間的接觸壓力，反之，在保證接觸壓力相等的情況下，碳纖維護套與永磁體間的過盈量小於鈦合金護套與永磁體間的過盈量，碳纖維護套應力受溫度的影響較大，在碳纖維護套設計中要注意校核其熱態下的應力。
3）對於極弧係數小於1的永磁轉子結構，受彎曲應力的影響，護套在極間的等效應力增加，對於高速永磁轉子，極弧係數設計為1有利於護套等效應力的均勻分布，提高轉子可靠性。
4）碳纖維護套保護下的永磁體溫升高於鈦合金護套。碳纖維護套保護下，PVC塑料填充材料的永磁體溫升最低；鈦合金護套保護下，PVC塑料、鋁合金、不鏽鋼作為填充材料時，永磁體溫升基本相等。