一、高速電機簡介
起重電機專業生産廠家無錫宏達2022年6月7日訊 高速電機通常指转速超过 10000 r /min的電機。高速電機体积小、可与高速负载直接相连、省去传统的机械增速装置、减小系统噪音和提高系统传动效率。目前成功实现高速化的主要有感应電機、永磁電機、开关磁阻電機。
高速電機的主要特点是转子速度高、定子绕组电流和铁心中的磁通频率高、功率密度和损耗密度大 。这些特点决定了高速電機具有不同于常速電機特有的关键技术与设计方法,设计和制造难度往往成倍大于普通速電機。
高速電機的應用領域:
(1) 高速電機在空调或冰箱的离心式压缩机等各种场合得到应用。
(2) 随着汽车工业混合动力汽车的发展,体积小,重量轻的高速发電機将会得到充分的重视,并在混合动力汽车,航空,船舶等领域具有良好的应用前景。
(3)由燃氣輪機驅動的高速發電機體積小,具有較高的機動性,可用于一些重要設施的備用電源,也可作爲獨立電源或小型電站,彌補集中式供電的不足,具有重要的實用價值。
高速電機的關鍵技術
高速、超高速的應用前景廣闊但同時給電機帶來了極高的挑戰,我們將這些問題合並同類項後發現有六大類。分別是散熱、選型、轉子結構、振動噪音、高效設計、軸承。
二、高速電機國內外發展現狀
1、高速感應電機
感應電機轉子結構簡單、轉動慣量低,並且能夠在高溫和高速的條件下長時間運行,因此感應電機在高速領域應用比較廣泛。
目前,国内外高速感应電機中,功率最大的为15MW,其转速为20000 r/min,为ABB公司2002年研制,采用实心转子结构。高速感应電機速度最大的是由Westwind Air Bearings研制的,转速为300000 r/min,其功率为200 W,用于PCB钻床主轴。同样,国外还实现了功率为10kW,180000r/min转速的高速感应電機用作测试電機。
下图为Westwind Air Bearings研制的高速感应電機,功率200W,转速300000 r/min。
國內的研究相對落後,其中沈陽工業大學、重慶德馬電機、海軍工程大學、浙江大學等研究單位對高速感應電機開展了許多研究工作。
重庆德马電機研制了100kW、25000r/min高速感应電機。沈阳工业大学对功率为280kW、转速为12000r/min,线速度为132m/s,采用普通叠片结构的高速感应電機进行了相关研究。海军工程大学对 2.5 MW的高速感应電機开展了相关研究等等。
表1 国内外高速感应電機的研究
2、高速永磁電機
永磁電機由于其效率和功率因數高及轉速範圍大等優點,在高速應用領域備受青睐。相對于外轉子永磁電機,內轉子永磁電機具有轉子半徑小及可靠性強的優點,成爲高速電機首選。
目前,國內外高速永磁電機中,功率最大的高速永磁電機,是美國研究的,功率爲8MW,轉速15000r/min,爲面貼式永磁轉子,保護套采用的是碳纖維,冷卻系統采用風冷水冷結合的方式,用于與燃氣輪機匹配的高速電機。
瑞士的苏黎世联邦理工学院设计了最高转速的高速永磁電機。参数为500000 r/min,功率为1kW,线速度为261m/s,采用合金保护套。
國內對高速永磁電機的研究主要集中在浙江大學、沈陽工業大學、哈爾濱理工大學、哈爾濱工業大學、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、廣東工業大學、南車株洲電機有限公司等。
他们对高速電機的设计特点、损耗特性、转子强度与刚度计算以及冷却系统设计与温升计算等方面开展了相关的研究工作, 并制作了不同功率等级和转速的高速样机。
沈阳工业大学与江苏航天动力机电有限公司合作,已研制了1120 kW、18000r/min 的高速永磁電機,如图所示,该電機采用面贴式永磁转子结构,转子表面线速度为180m /s,采用碳纤维保护措施。
此外,浙江大学对2.3 kW、150000 r /min的高速永磁无刷直流電機的保护措施、涡流损耗开展了深入研究;东南大学对功率600 W,转速20000r/min的高速永磁電機进行了研究;广东工业大学对0.6 kW,200000 r /min的高速永磁无刷直流電機进行了理论分析等等。
但國內對高速永磁電機的研制多集中在500kW以下的中小功率和中低轉速階段,對大功率尤其是兆瓦級和超高轉速永磁電機的研究還較少。高速永磁電機有面貼式(SPM)和內置式(IPM)兩種轉子結構。除少數采用內置式轉子結構外,其余多采用面貼式永磁轉子結構。
表2 国内外高速永磁電機的研究
3、開關磁阻電機
开关磁阻電機以结构简单、坚固耐用、成本低廉以及耐高温等优点而备受瞩目, 在高速领域的应用日益广泛。
高速开关磁阻電機目前可达的最大功率为250kW,转速22000r /min,最高转速为200000r /min,功率1kW。
南京航空航天大学、北京交通大学、华中科技大学等对高速开关磁阻電機开展了相关研究工作,其中南京航空航天大学研制了1 kW,130000 r /min的开关磁阻電機。
表3 三种高速電機的对比
三、高速電機保護套設計和轉子強度分析
電機高速旋轉時轉子離心力很大,轉子強度分析和保護套設計是高速電機設計的關鍵。目前對高速永磁電機開展的轉子強度分析主要是針對轉子高速旋轉時的穩態應力分析校核永磁體所承受應力是否超過許用應力,保證轉子的穩定運行。由于大多數高速永磁電機選用钕鐵硼永磁材料,該材料抗壓強度較大,而抗拉強度很小,因此對于內轉子電機結構的永磁體,必須采取保護措施。
目前最常用的保護措施主要有兩種:一種是采用碳纖維綁紮永磁體,另外一種是在永磁體外面加高強度非導磁合金保護套。但合金護套的電導率較大,空間和時間諧波會在合金護套中産生較大的渦流損耗,碳纖維護套的電導率遠遠小于合金護套,可以有效的抑制護套中的渦流損耗,但碳纖維護套的熱導線很差,轉子熱量難以散出,且碳纖維護套的加工工藝複雜,對加工精度要求較高。但是對于高速外轉子永磁電機,不需要采取保護措施,因此轉子應力分析的研究較少。
英国布里斯托大学Jason M. Yon 提出了一种半导磁的合金保护套,合金套的相对磁导率为 7.2,并对不导磁和半导磁合金保护套的电磁特性进行了分析。
沈阳工业大学王凤翔教授对一台60000 r/min的告诉高速永磁電機设计了合金保护套,并对旋转、静止等不同工况下的转子机械强度进行理论分析和二维有限元计算。
浙江大學有提出一種周向和軸向開槽的合金保護套,並對其進入了深入的研究結果表明該結構可以在滿足轉子強度的要求下,有效減小合金保護套中的渦流損耗。
高速電機的鐵耗和銅耗的計算方法與一般電機有著較大的區別。對于普通電機,磁場的諧波頻率比較低,轉子渦流損耗一般可以忽略,而對于高速永磁電機,轉子渦流損耗較大,會給電機散熱帶來嚴重的困難,而永磁體在過高的溫度下會發生不可逆退磁。因此對高速電機進行合理電磁設計與損耗的准確計算成爲高速電機的關鍵問題之一。
在高速電機中,由于工作频率较高,定子铁心损耗成为電機的主要损耗,对電機的效率和发热性能起到主导性作用,计算定子铁耗,目前比较经典的计算方法是建立 Bertotti 铁耗分立计算模型,也就是将铁耗分为三部分,分别为磁滞损耗、经典涡流损耗和异常涡流损耗。
東南大學胡虔生教授等采用兩個相互正交的交變磁化來近似等效旋轉磁化,使得這種方法既考慮了諧波磁場又考慮了旋轉磁場,而且損耗系數可以直接從矽鋼片廠家提供的交變磁化方式下的損耗曲線擬合獲得,因而實現起來比較簡單且具有較高的精度。
由于高速電機的鐵耗與磁通密度分量的幅值有關,爲了准確計算損耗,還需分析電機內的電磁場。芬蘭赫爾辛基大學和瑞典斯德哥爾摩皇家技術學院都對高速電機內的電磁場做了比較詳盡的分析。
轉子的損耗主要包括轉子空氣摩擦損耗和轉子渦流損耗兩部分,轉子渦流損耗主要是由定子電流的時間和空間諧波以及定子槽開口引起的氣隙磁導變化所産生的。
由于高速電機的旋转速度高达每分钟数万转甚至十几万转,其转子表面的空气摩擦摩耗要比普通電機大得多,在電機总损耗中占有较大比重,因此对空气摩擦损耗的研究具有实际意义。目前国内关于空气摩擦损耗的研究还鲜有报道,尤其是基于流体场计算高速電機转子空气摩擦损耗。沈阳工业大学通过对60000 r/min 高速永磁電機的研究,对基于流体场空气摩擦损耗计算方法进行初步分析和实验验证。
高速電機主要的研究發展方向有:
大功率高速電機和超高速高速電機的关键问题研究; 基于多物理场和多学科的耦合设计; 定转子损耗的理论研究与实验验证; 高强度与高耐温能力的永磁材料、高导热系数的纤维材料等新材料的开发及应用; 高强度转子叠片材料和结构的研究; 不同功率和转速等级下高速轴承的应用; 良好散热系统的设计; 高速電機控制系统的研制; 满足产业化要求的转子加工及装配新工艺等。
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