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高轉(zhuǎn)速微型電機就是轉(zhuǎn)速非常高,它的特點是:轉(zhuǎn)子速度高、定子繞組電流和鐵芯磁通頻率高、功率密度和密度大。高轉(zhuǎn)速電機具有不同于普通微型電機的技術(shù)和設(shè)計方法,難度也高于普通轉(zhuǎn)速的電機。
高轉(zhuǎn)速電機的應(yīng)用
高轉(zhuǎn)速在家用空調(diào)、冰箱、航空航天、汽車船舶等產(chǎn)品應(yīng)用廣泛,小型的電子產(chǎn)品諸如電動牙刷、潔面儀、美容儀、電動玩具、按摩儀等等也會用到高轉(zhuǎn)速的微型電機。
高轉(zhuǎn)速微型電機轉(zhuǎn)子速度通常是高于10000r/min,高轉(zhuǎn)速微型電機在高速旋轉(zhuǎn)下,常規(guī)的碟片轉(zhuǎn)子是難承受如此大的離心力的,一般是采用特殊的高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),尤其是大型的高轉(zhuǎn)速電機。對于永磁電機來講,轉(zhuǎn)子強度問題也是比較突出,燒結(jié)成的永磁材料承受不了高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生產(chǎn)拉應(yīng)力,所以需要要對永磁體采取保護措施,另外電機轉(zhuǎn)子和氣隙高速摩擦,轉(zhuǎn)子表面的摩擦損耗高于普通電機,這就需要考慮轉(zhuǎn)子的散熱問題了。
為了保證轉(zhuǎn)子有足夠的強度, 高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子設(shè)計的樣子多為細(xì)長型。 因此與常速電機相比, 高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)接近臨界轉(zhuǎn)速的可能性大大增加, 為了避免發(fā)生彎曲共振, 必須準(zhǔn)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)。
電機繞組電流和鐵芯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(dāng)定子電流頻率較低時, 通??梢院雎在吥w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; 高轉(zhuǎn)速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(zhǔn)確計算高轉(zhuǎn)速的定子鐵心損耗, 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(zhǔn)確計算以及探索有效降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的措施, 對高轉(zhuǎn)速可靠運行具有重要意義; 同時高頻電壓或電流也給大功率轉(zhuǎn)速電機的控制器設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。
高轉(zhuǎn)速的體積遠(yuǎn)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, 是大功率高轉(zhuǎn)速長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。
綜上所述, 高轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)子強度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)、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, 因此高轉(zhuǎn)速的設(shè)計是一個集電磁場-轉(zhuǎn)子強度-轉(zhuǎn)子動力學(xué)-流體場與溫度場等多物理場多次迭代的綜合設(shè)計過程。
高轉(zhuǎn)速電機的類型
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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
1)高速感應(yīng)電機: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)用比較廣泛 。國內(nèi)外最大功率的高速感應(yīng)電機為15MW, 轉(zhuǎn)速為20000 r/min,在2002年研制的, 采用的是實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu); 高速感應(yīng)電機最大速度為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% ;
2)內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機: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,成為高轉(zhuǎn)速的首選。內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機的最大功率已達(dá)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; 最高轉(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。
3)高速開關(guān)磁阻電機: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)用日益廣泛。高速開關(guān)磁阻電機目前可達(dá)的最大難度值為3. 51 × [公式], 最大功率為250 kW( 轉(zhuǎn)速 22 000 r /min) ,最高轉(zhuǎn)速為 200000 r /min( 功率 1 kW) 經(jīng)過不斷的的發(fā)展, 國外對高轉(zhuǎn)速的研究已具備了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ), 產(chǎn)業(yè)化勢頭良好。國內(nèi)對高轉(zhuǎn)速的研究基礎(chǔ)還較薄弱, 產(chǎn)業(yè)化水平較低, 國內(nèi)對高轉(zhuǎn)速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轉(zhuǎn)速和超高速高轉(zhuǎn)速的研究與應(yīng)用還較少, 在高轉(zhuǎn)速的設(shè) 計與分析方面仍有一些問題亟需解決,主要包括:
1) 高轉(zhuǎn)速的設(shè)計是一個多物理場和多學(xué)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(xué)、流體場與溫度場等多物理場耦合方法來分析高轉(zhuǎn)速的技術(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(fù)載能力有限, 磁懸浮軸承控制復(fù)雜、價格昂貴;??
3) 大功率高轉(zhuǎn)速功率變換系統(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; 大功率高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計技術(shù)有待完善; 高轉(zhuǎn)速的加工工藝復(fù)雜, 距離產(chǎn)業(yè)化的要求還很遠(yuǎn);?
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(jìn)一步研究; 大功率高速永磁電機多采用風(fēng)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轉(zhuǎn)速的發(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, 需要對新型高強度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。
?高轉(zhuǎn)速以后的發(fā)展和研究方向主要在大功率高轉(zhuǎn)速和超高速高轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵問題研究、基于多物理場和多學(xué)科的耦合設(shè)計、定轉(zhuǎn)子損耗的理論研究與實驗驗證、高強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發(fā)及應(yīng)用、高強度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)的研究、不同功率和轉(zhuǎn)速等級下高速軸承的應(yīng)用、良好散熱系統(tǒng)的設(shè)計; 高轉(zhuǎn)速控制系統(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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