







高速電機的主要特點是轉(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。這些特點決定了高速電機具有不同于常速電機特有的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計方法,設(shè)計和制造難度往往成倍大于普通速電機。既然這么難,這玩意有沒有用呢?
那么高速電機應(yīng)用前景如何呢?它可以用在哪里呢?
(1) 高速電機在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機等各種場合得到應(yīng)用,而隨著科學技術(shù)的發(fā)展,特殊要求越來越多,它的應(yīng)用也會越來越 。
(2) 隨著汽車工業(yè)混合動力汽車的發(fā)展,體積小,重量輕的高速發(fā)電機將會得到充分的重視,并在混合動力汽車,航空,船舶等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
(3)由燃氣輪機驅(qū)動的高速發(fā)電機體積小,具有較高的機動性,可用于一些重要設(shè)施的備用電源,也可作為 電源或小型電站,彌補集中式供電的不足,具有重要的實用價值。
上圖為工業(yè)機器人高光機,永磁無刷直流電機 350W, 60krpm
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高速電機難在哪?
高速電機的顧名思義速度很高,轉(zhuǎn)子速度通常高于 10000 r /min, 摩天輪大家都玩過,大家玩之前可能 怕的就是“被甩出去”。同樣,電機在如此高的速度旋轉(zhuǎn)時,常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子是難以承受巨大的離心力的,需要采用特殊的 度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)設(shè)計難點)。
對于永磁電機來說, 轉(zhuǎn)子強度問題更為突出, 因為燒結(jié)而成的永磁材料不能承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉應(yīng)力, 必須對永磁體采取保護措施; 同時電機轉(zhuǎn)子與氣隙高速摩擦, 在轉(zhuǎn)子表面造成的摩擦損耗會遠大于常速電機,這個時候就不得不考慮轉(zhuǎn)子散熱的難題。
為了保證轉(zhuǎn)子有足夠的強度, 高速電機轉(zhuǎn)子設(shè)計的樣子多為細長型。 因此與常速電機相比, 高速電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)接近臨界轉(zhuǎn)速的可能性 增加, 為了避免發(fā)生彎曲共振, 必須準確預(yù)測轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速; 普通電機軸承無法在高速下可靠運行,必須采用高速軸承系統(tǒng)。
前面說到高速電機繞組電流和鐵心中磁通交變頻率很高,會在電機繞組、定子鐵心以及轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生較大的高頻附加損耗。當定子電流頻率較低時, 通常可以忽略趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)對繞組損耗的影響, 但在高頻情況下定子繞組會產(chǎn)生明顯的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng), 增大繞組附加損耗; 高速電機定子鐵心中磁通頻率高,趨膚效應(yīng)的影響不能忽略, 常規(guī)的計算方法會帶來較大誤差, 為了準確計算高速電機的定子鐵心損耗, 需要探索(有點摸著石頭過河的感覺)高頻工況下的鐵耗計算模型。
定子開槽與繞組非正弦分布引起的空間諧波以及由PWM供電產(chǎn)生的電流時間諧波均會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生較大的渦流損耗, 由于轉(zhuǎn)子體積小、散熱條件差, 會給轉(zhuǎn)子散熱帶來極大困難, 因此轉(zhuǎn)子渦流損耗的準確計算以及探索有效降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的措施, 對高速電機可靠運行具有重要意義; 同時高頻電壓或電流也給大功率高速電機的控制器設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。
高速電機的體積遠小于同等功率的常速電機, 不僅功率密度和損耗密度大而且散熱困難, 如果不采用特殊散熱措施, 會使電機溫升過高, 從而縮短繞組壽命, 特別對于永磁電機, 在轉(zhuǎn)子溫升過高的情況下, 永磁體易發(fā)生不可逆退磁 。設(shè)計一個良好的冷卻系統(tǒng), 能有效降低定轉(zhuǎn)子溫升, 是大功率高速電機長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。
綜上所述, 高速電機在轉(zhuǎn)子強度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學、電磁設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計與溫升計算、高速軸承以及控制器的研制等方面存在許多常規(guī)電機所不具有的特殊關(guān)鍵問題, 因此高速電機的設(shè)計是一個集電磁場-轉(zhuǎn)子強度-轉(zhuǎn)子動力學-流體場與溫度場等多物理場多次迭代的綜合設(shè)計過程。
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高速電機有哪幾種?
目前應(yīng)用于高速領(lǐng)域的電機類型主要有感應(yīng)電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機等, 每種電機類型又有不同的拓撲結(jié)構(gòu)。
我們知道,感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量低, 并能在高溫和高速的條件下長時間運行, 因此感應(yīng)電機在高速領(lǐng)域應(yīng)用比較 。
國內(nèi)外 功率的高速感應(yīng)電機為15MW, 轉(zhuǎn)速為20000 r/min, 是ABB公司 在2002年研制的, 采用的是實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu); 高速感應(yīng)電機 速度為180000 r/min, 功率為10kW, 采用磁懸浮軸承, 實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu), 線速度為219m /s, 電機的效率約為85% 。
國內(nèi)對高速感應(yīng)電機的研究相對滯后(貌似電機這塊,國內(nèi)沒有幾個不滯后的), 其中重慶德馬電機研制了一系列高速感應(yīng)電機, 海 程大學 、沈陽工業(yè)大學 、哈爾濱工業(yè)大學以及浙江大學(沈建新老師團隊)等針對高速感應(yīng)電機開展了許多研究工作,海 程大學對 2. 5 MW 高速感應(yīng)電機開展了研究,重慶德馬電機研制了100kW、25000r/min 高速感應(yīng)電機, 國內(nèi)高速感應(yīng)電機的發(fā)展水平遠低于國外。
我們也知道,永磁電機具有效率和功率因數(shù)高及轉(zhuǎn)速范圍大等優(yōu)點, 因此其在高速應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞。相對于外永磁轉(zhuǎn)子電機, 內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機具有轉(zhuǎn)子半徑小及可靠性強的優(yōu)點, 成為高速電機的 。
內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機的 功率已達8MW,轉(zhuǎn)速15000r /min, 為面貼式永磁轉(zhuǎn)子, 采用碳纖維保護套捆扎; 高轉(zhuǎn)速的永磁電機為500000r/min,功率為1kW, 轉(zhuǎn)子表面線速度為261m /s,采用合金保護套。國內(nèi)對高速永磁電機的研究主要集中在浙江大學、沈陽工業(yè)大學、哈爾濱理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學、南京航空航天電機、東南大學、北京航空航天大學、江蘇大學、北京交通大學、廣東工業(yè)大學等, 他們對高速電機的設(shè)計特點、損耗特性、轉(zhuǎn)子強度與剛度計算以及冷卻系統(tǒng)設(shè)計與溫升計算等方面開展了相關(guān)的研究工作, 并制作了不同功率等級和轉(zhuǎn)速的高速樣機。
沈陽工業(yè)大學與江蘇某公司合作, 已研制了 1120 kW、18000r/min 的高速永磁電機,如上圖所示, 該電機采用面貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu), 轉(zhuǎn)子表面線速度為180m /s, 采用碳纖維保護措施。
開關(guān)磁阻電機以結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉以及耐高溫 等優(yōu)點而備受矚目, 在高速領(lǐng)域的應(yīng)用日益 。
高速開關(guān)磁阻電機目前可達的 難度值為3. 51 ×, 功率為250 kW( 轉(zhuǎn)速 22 000 r /min) , 高轉(zhuǎn)速為 200 000 r /min( 功率 1 kW) 。南京航空航天大學 、北京交通大學、湖南工業(yè)大學 、華中科技大學等對高速開關(guān)磁阻電機開展了相關(guān)研究工作, 其中南京航空航天大學研制了1 kW,130000 r /min的開關(guān)磁阻電機。
對三種主要類型的高速電機優(yōu)缺點總結(jié)一下,
經(jīng)過不斷的的發(fā)展, 國外對高速電機的研究已具備了相當?shù)幕A(chǔ), 產(chǎn)業(yè)化勢頭良好。國內(nèi)對高速電機的研究基礎(chǔ)還較薄弱, 產(chǎn)業(yè)化水平較低, 國內(nèi)對高速電機的研制多集中在中小功率和較低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi), 與國外尚有較大差距。
綜合國內(nèi)外的發(fā)展和研究現(xiàn)狀, 針對兆瓦級以上的大功率高速電機和超高速高速電機的研究與應(yīng)用還較少, 在高速電機的設(shè) 計與分析方面仍有一些問題亟需解決。
主要包括:
1) 高速電機的設(shè)計是一個多物理場和多學科交叉的綜合設(shè)計過程, 基于電磁場、應(yīng)力場、轉(zhuǎn)子動力學、流體場與溫度場等多物理場耦合方法來分析高速電機的技術(shù)尚不成熟。
2) 高速軸承仍有很多問題亟需解決: 滾球軸承不能承受過高的轉(zhuǎn)速, 充油軸承系統(tǒng)龐大且在高速旋轉(zhuǎn)時易發(fā)生漏油問題, 空氣軸承承載負載能力有限, 磁懸浮軸承控制復(fù)雜、價格昂貴。
3) 大功率高速電機功率變換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與控制策略、實時監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)還很薄弱; 大功率高速電機的轉(zhuǎn)子動力學設(shè)計技術(shù)有待完善; 高速電機的加工工藝復(fù)雜, 距離產(chǎn)業(yè)化的要求還很遠。
4) 定轉(zhuǎn)子損耗的理論分析、計算方法以及實驗驗證等方面有待進一步研究; 大功率高速永磁電機多采用風冷和水冷相結(jié)合的冷卻方式, 冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 冷卻效果有限。
5) 永磁體抗拉強度低、耐溫能力差制約著高速永磁電機向超高速和大功率方向發(fā)展, 研發(fā)更高抗拉強度和更高耐溫水平的永磁材料對高速電機的發(fā)展具有重要意義。
6) 對于面貼式永磁電機, 合金保護套存在較大的渦流損耗, 碳纖維保護套的導(dǎo)熱系數(shù)較差, 給高速永磁電機的轉(zhuǎn)子散熱帶來了較大困難, 因此開發(fā)高導(dǎo)熱特性的纖維材料對于高速轉(zhuǎn)子的設(shè)計有重要價值。
7) 常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子不能承受較大的離心力, 實心轉(zhuǎn)子存在較大的渦流損耗, 需要對新型 度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)進行深入研究。
