一、高速電機(jī)簡(jiǎn)介
起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無(wú)錫宏達(dá)2022年6月7日訊 高速電機(jī)通常指轉(zhuǎn)速超過(guò) 10000 r /min的電機(jī)。高速電機(jī)體積小、可與高速負(fù)載直接相連、省去傳統(tǒng)的機(jī)械增速裝置、減小系統(tǒng)噪音和提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率。目前成功實(shí)現(xiàn)高速化的主要有感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。
高速電機(jī)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子速度高、定子繞組電流和鐵心中的磁通頻率高、功率密度和損耗密度大 。這些特點(diǎn)決定了高速電機(jī)具有不同于常速電機(jī)特有的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)和制造難度往往成倍大于普通速電機(jī)。
高速電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域：
(1) 高速電機(jī)在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機(jī)等各種場(chǎng)合得到應(yīng)用。
(2) 隨著汽車工業(yè)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展，體積小，重量輕的高速發(fā)電機(jī)將會(huì)得到充分的重視，并在混合動(dòng)力汽車，航空，船舶等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
(3)由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的高速發(fā)電機(jī)體積小，具有較高的機(jī)動(dòng)性，可用于一些重要設(shè)施的備用電源，也可作為獨(dú)立電源或小型電站，彌補(bǔ)集中式供電的不足，具有重要的實(shí)用價(jià)值。
高速電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)
高速、超高速的應(yīng)用前景廣闊但同時(shí)給電機(jī)帶來(lái)了極高的挑戰(zhàn)，我們將這些問(wèn)題合并同類項(xiàng)后發(fā)現(xiàn)有六大類。分別是散熱、選型、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、振動(dòng)噪音、高效設(shè)計(jì)、軸承。
二、高速電機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1、高速感應(yīng)電機(jī)
感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，并且能夠在高溫和高速的條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，因此感應(yīng)電機(jī)在高速領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。
目前，國(guó)內(nèi)外高速感應(yīng)電機(jī)中，功率最大的為15MW，其轉(zhuǎn)速為20000 r/min，為ABB公司2002年研制，采用實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。高速感應(yīng)電機(jī)速度最大的是由Westwind Air Bearings研制的，轉(zhuǎn)速為300000 r/min，其功率為200 W，用于PCB鉆床主軸。同樣，國(guó)外還實(shí)現(xiàn)了功率為10kW，180000r/min轉(zhuǎn)速的高速感應(yīng)電機(jī)用作測(cè)試電機(jī)。
下圖為Westwind Air Bearings研制的高速感應(yīng)電機(jī)，功率200W，轉(zhuǎn)速300000 r/min。
國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)落后，其中沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、重慶德馬電機(jī)、海軍工程大學(xué)、浙江大學(xué)等研究單位對(duì)高速感應(yīng)電機(jī)開(kāi)展了許多研究工作。
重慶德馬電機(jī)研制了100kW、25000r/min高速感應(yīng)電機(jī)。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)對(duì)功率為280kW、轉(zhuǎn)速為12000r/min，線速度為132m/s，采用普通疊片結(jié)構(gòu)的高速感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了相關(guān)研究。海軍工程大學(xué)對(duì) 2.5 MW的高速感應(yīng)電機(jī)開(kāi)展了相關(guān)研究等等。
表1 國(guó)內(nèi)外高速感應(yīng)電機(jī)的研究
2、高速永磁電機(jī)
永磁電機(jī)由于其效率和功率因數(shù)高及轉(zhuǎn)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在高速應(yīng)用領(lǐng)域備受青睞。相對(duì)于外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)子半徑小及可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，成為高速電機(jī)首選。
目前，國(guó)內(nèi)外高速永磁電機(jī)中，功率最大的高速永磁電機(jī)，是美國(guó)研究的，功率為8MW，轉(zhuǎn)速15000r/min，為面貼式永磁轉(zhuǎn)子，保護(hù)套采用的是碳纖維，冷卻系統(tǒng)采用風(fēng)冷水冷結(jié)合的方式，用于與燃?xì)廨啓C(jī)匹配的高速電機(jī)。
瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院設(shè)計(jì)了最高轉(zhuǎn)速的高速永磁電機(jī)。參數(shù)為500000 r/min，功率為1kW，線速度為261m/s，采用合金保護(hù)套。
國(guó)內(nèi)對(duì)高速永磁電機(jī)的研究主要集中在浙江大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天電機(jī)、東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、江蘇大學(xué)、北京交通大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、南車株洲電機(jī)有限公司等。
他們對(duì)高速電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、損耗特性、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度與剛度計(jì)算以及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與溫升計(jì)算等方面開(kāi)展了相關(guān)的研究工作， 并制作了不同功率等級(jí)和轉(zhuǎn)速的高速樣機(jī)。
沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)與江蘇航天動(dòng)力機(jī)電有限公司合作，已研制了1120 kW、18000r/min 的高速永磁電機(jī)，如圖所示，該電機(jī)采用面貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面線速度為180m /s，采用碳纖維保護(hù)措施。
此外，浙江大學(xué)對(duì)2.3 kW、150000 r /min的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的保護(hù)措施、渦流損耗開(kāi)展了深入研究；東南大學(xué)對(duì)功率600 W，轉(zhuǎn)速20000r/min的高速永磁電機(jī)進(jìn)行了研究；廣東工業(yè)大學(xué)對(duì)0.6 kW，200000 r /min的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行了理論分析等等。
但國(guó)內(nèi)對(duì)高速永磁電機(jī)的研制多集中在500kW以下的中小功率和中低轉(zhuǎn)速階段，對(duì)大功率尤其是兆瓦級(jí)和超高轉(zhuǎn)速永磁電機(jī)的研究還較少。高速永磁電機(jī)有面貼式(SPM)和內(nèi)置式(IPM)兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。除少數(shù)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外，其余多采用面貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
表2 國(guó)內(nèi)外高速永磁電機(jī)的研究
3、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉以及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目， 在高速領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。
高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)目前可達(dá)的最大功率為250kW，轉(zhuǎn)速22000r /min,最高轉(zhuǎn)速為200000r /min，功率1kW。
南京航空航天大學(xué)、北京交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等對(duì)高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)展了相關(guān)研究工作，其中南京航空航天大學(xué)研制了1 kW，130000 r /min的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。
表3 三種高速電機(jī)的對(duì)比
三、高速電機(jī)保護(hù)套設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析
電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子離心力很大，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析和保護(hù)套設(shè)計(jì)是高速電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前對(duì)高速永磁電機(jī)開(kāi)展的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析主要是針對(duì)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析校核永磁體所承受應(yīng)力是否超過(guò)許用應(yīng)力，保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)行。由于大多數(shù)高速永磁電機(jī)選用釹鐵硼永磁材料，該材料抗壓強(qiáng)度較大，而抗拉強(qiáng)度很小，因此對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)的永磁體，必須采取保護(hù)措施。
目前最常用的保護(hù)措施主要有兩種：一種是采用碳纖維綁扎永磁體，另外一種是在永磁體外面加高強(qiáng)度非導(dǎo)磁合金保護(hù)套。但合金護(hù)套的電導(dǎo)率較大，空間和時(shí)間諧波會(huì)在合金護(hù)套中產(chǎn)生較大的渦流損耗，碳纖維護(hù)套的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于合金護(hù)套，可以有效的抑制護(hù)套中的渦流損耗，但碳纖維護(hù)套的熱導(dǎo)線很差，轉(zhuǎn)子熱量難以散出，且碳纖維護(hù)套的加工工藝復(fù)雜，對(duì)加工精度要求較高。但是對(duì)于高速外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，不需要采取保護(hù)措施，因此轉(zhuǎn)子應(yīng)力分析的研究較少。
英國(guó)布里斯托大學(xué)Jason M. Yon 提出了一種半導(dǎo)磁的合金保護(hù)套，合金套的相對(duì)磁導(dǎo)率為 7.2，并對(duì)不導(dǎo)磁和半導(dǎo)磁合金保護(hù)套的電磁特性進(jìn)行了分析。
沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)王鳳翔教授對(duì)一臺(tái)60000 r/min的告訴高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)了合金保護(hù)套，并對(duì)旋轉(zhuǎn)、靜止等不同工況下的轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行理論分析和二維有限元計(jì)算。
浙江大學(xué)有提出一種周向和軸向開(kāi)槽的合金保護(hù)套，并對(duì)其進(jìn)入了深入的研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)可以在滿足轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的要求下，有效減小合金保護(hù)套中的渦流損耗。
高速電機(jī)的鐵耗和銅耗的計(jì)算方法與一般電機(jī)有著較大的區(qū)別。對(duì)于普通電機(jī)，磁場(chǎng)的諧波頻率比較低，轉(zhuǎn)子渦流損耗一般可以忽略，而對(duì)于高速永磁電機(jī)，轉(zhuǎn)子渦流損耗較大，會(huì)給電機(jī)散熱帶來(lái)嚴(yán)重的困難，而永磁體在過(guò)高的溫度下會(huì)發(fā)生不可逆退磁。因此對(duì)高速電機(jī)進(jìn)行合理電磁設(shè)計(jì)與損耗的準(zhǔn)確計(jì)算成為高速電機(jī)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
在高速電機(jī)中，由于工作頻率較高，定子鐵心損耗成為電機(jī)的主要損耗，對(duì)電機(jī)的效率和發(fā)熱性能起到主導(dǎo)性作用，計(jì)算定子鐵耗，目前比較經(jīng)典的計(jì)算方法是建立 Bertotti 鐵耗分立計(jì)算模型，也就是將鐵耗分為三部分，分別為磁滯損耗、經(jīng)典渦流損耗和異常渦流損耗。
東南大學(xué)胡虔生教授等采用兩個(gè)相互正交的交變磁化來(lái)近似等效旋轉(zhuǎn)磁化，使得這種方法既考慮了諧波磁場(chǎng)又考慮了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而且損耗系數(shù)可以直接從硅鋼片廠家提供的交變磁化方式下的損耗曲線擬合獲得，因而實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單且具有較高的精度。
由于高速電機(jī)的鐵耗與磁通密度分量的幅值有關(guān)，為了準(zhǔn)確計(jì)算損耗，還需分析電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)。芬蘭赫爾辛基大學(xué)和瑞典斯德哥爾摩皇家技術(shù)學(xué)院都對(duì)高速電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)做了比較詳盡的分析。
轉(zhuǎn)子的損耗主要包括轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗兩部分，轉(zhuǎn)子渦流損耗主要是由定子電流的時(shí)間和空間諧波以及定子槽開(kāi)口引起的氣隙磁導(dǎo)變化所產(chǎn)生的。
由于高速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)子表面的空氣摩擦摩耗要比普通電機(jī)大得多，在電機(jī)總損耗中占有較大比重，因此對(duì)空氣摩擦損耗的研究具有實(shí)際意義。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于空氣摩擦損耗的研究還鮮有報(bào)道，尤其是基于流體場(chǎng)計(jì)算高速電機(jī)轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)通過(guò)對(duì)60000 r/min 高速永磁電機(jī)的研究，對(duì)基于流體場(chǎng)空氣摩擦損耗計(jì)算方法進(jìn)行初步分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
高速電機(jī)主要的研究發(fā)展方向有：
大功率高速電機(jī)和超高速高速電機(jī)的關(guān)鍵問(wèn)題研究; 基于多物理場(chǎng)和多學(xué)科的耦合設(shè)計(jì); 定轉(zhuǎn)子損耗的理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證; 高強(qiáng)度與高耐溫能力的永磁材料、高導(dǎo)熱系數(shù)的纖維材料等新材料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用; 高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)的研究; 不同功率和轉(zhuǎn)速等級(jí)下高速軸承的應(yīng)用; 良好散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì); 高速電機(jī)控制系統(tǒng)的研制; 滿足產(chǎn)業(yè)化要求的轉(zhuǎn)子加工及裝配新工藝等。
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