高速電機國內(nèi)外現(xiàn)狀

1、一、高速電機簡介一、高速電機簡介二、二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三、三、高速電機保護套設(shè)計和轉(zhuǎn)子強度分析高速電機保護套設(shè)計和轉(zhuǎn)子強度分析四、高速電機四、高速電機電磁設(shè)計和損耗計算電磁設(shè)計和損耗計算五、高速電機五、高速電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計和溫升計算冷卻系統(tǒng)設(shè)計和溫升計算六、總結(jié)六、總結(jié)目錄一、高速電機簡介一、高速電機簡介高速電機通常指轉(zhuǎn)速超過 10000 r /min的電機。高速電機體積小、可與高速負載直接相連、省去傳統(tǒng)的機械增速裝置、減小系統(tǒng)噪音和提高系統(tǒng)傳動效率。目前成功實現(xiàn)高速化的主要有感應電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機。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

2、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。既然設(shè)計制造這么難，那么高速電機的應用前景究竟如何？它到底能應用在哪些領(lǐng)域呢？一、高速電機簡介一、高速電機簡介高速電機的應用領(lǐng)域：(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用。(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，也可作為獨立電源或小型電站，彌補集中式供

3、電的不足，具有重要的實用價值。一、高速電機簡介一、高速電機簡介右圖為工業(yè)機器人高光機，應用的永磁無刷直流電機 350W，60kr/min。二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1、高速感應電機感應電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量低，并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(lǐng)域應用比較廣泛。目前，國內(nèi)外高速感應電機中，功率最大的為15 MW，其轉(zhuǎn)速為20000 r/min，為ABB公司2002年研制，采用實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。高速感應電機速度最大的是由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，

4、國外還實現(xiàn)了功率為10 kW，180000 r/min轉(zhuǎn)速的高速感應電機用作測試電機。二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀右圖為Westwind Air Bearings研制的高速感應電機。功率200 W，轉(zhuǎn)速300000 r/min。二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)的研究相對落后，其中沈陽工業(yè)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。重慶德馬電機研制了 100 kW、25000 r/min高速感應電機。沈陽工業(yè)大學對功率為 280 kW、轉(zhuǎn)速為12000 r/min，線速度為 132 m/s，采用普通疊片結(jié)構(gòu)

5、的高速感應電機進行了相關(guān)研究。海軍工程大學對 2.5 MW的高速感應電機開展了相關(guān)研究等等。二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀表表1 1 國內(nèi)外高速感應電機的研究國內(nèi)外高速感應電機的研究功率(kW)轉(zhuǎn)速(r/min)轉(zhuǎn)子類型 線速度(m/s) 來源1500020000實心-ABB0.2300000-Westwind10180000實心219日本15008800-重慶德馬電機10025000-重慶德馬電機28012000普通疊片132沈陽工業(yè)大學二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2、高速永磁電機永磁電機由于其效率和功率因數(shù)高及轉(zhuǎn)速范圍大等優(yōu)點，在高速應用領(lǐng)域備

6、受青睞。相對于外轉(zhuǎn)子永磁電機，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，成為高速電機首選。 二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前，國內(nèi)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，功率為 8 MW，轉(zhuǎn)速15000 r/min，為面貼式永磁轉(zhuǎn)子，保護套采用的是碳纖維，冷卻系統(tǒng)采用風冷水冷結(jié)合的方式，用于與燃氣輪機匹配的高速電機。瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學院設(shè)計了最高轉(zhuǎn)速的高速永磁電機。參數(shù)為500000 r/min，功率為1 kW，線速度為261 m/s，采用合金保護套。二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)對高速永磁電機的研究主要集中在浙江大學、

7、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、南車株洲電機有限公司等。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。二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀沈陽工業(yè)大學與江蘇航天動力機電有限公司合作，已研制了1120 kW、18000r/min 的高速永磁電機，如圖所示，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。二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、

8、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀此外，浙江大學對2.3 kW、150000 r /min的高速永磁無刷直流電機的保護措施、渦流損耗開展了深入研究；東南大學對功率600 W，轉(zhuǎn)速20000r/min的高速永磁電機進行了研究；廣東工業(yè)大學對0.6 kW，200 000 r /min的高速永磁無刷直流電機進行了理論分析等等。但國內(nèi)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(zhuǎn)速階段，對大功率尤其是兆瓦級和超高轉(zhuǎn)速永磁電機的研究還較少。高速永磁電機有面貼式(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)。二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外

9、發(fā)展現(xiàn)狀功率(kW)轉(zhuǎn)速(r/min)轉(zhuǎn)子類型 線速度(m/s)保護套來源 800015000SPM250碳纖維美國1500000SPM261合金蘇黎世聯(lián)邦理工學院500015000SPM-碳纖維美國11760000SPM-合金哈爾濱理工大學112018000SPM180碳纖維沈陽工業(yè)大學2.3150000SPM188合金浙江大學0.6200000SPM219合金廣東工業(yè)大學表表2 2 國內(nèi)外高速永磁電機的研究國內(nèi)外高速永磁電機的研究二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3、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)域的應用日益廣

10、泛。高速開關(guān)磁阻電機目前可達的最大功率為250 kW，轉(zhuǎn)速22000 r /min,最高轉(zhuǎn)速為200000 r /min，功率1 kW。南京航空航天大學、北京交通大學、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。二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀表表3 3 三種高速電機的對比三種高速電機的對比感應電機永磁電機開關(guān)磁阻電機優(yōu)點轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較簡單；功率密度居中；轉(zhuǎn)子耐高溫；成本低；實心轉(zhuǎn)子可承受較大離心力效率功率因數(shù)高；功率密度大；定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多樣；控制特性好效率居中；轉(zhuǎn)子耐高溫；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單；繞組端

11、部短；成本低缺點轉(zhuǎn)子損耗大，效率低；功率因數(shù)較低；疊片轉(zhuǎn)子端環(huán)易損壞；實心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子渦流損耗大永磁體抗拉強度小，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)需保護套，加工較復雜；永磁轉(zhuǎn)子在高溫下易發(fā)生不可逆退磁；成本高效率較低；噪聲大；轉(zhuǎn)矩波動和轉(zhuǎn)子機械振動大；轉(zhuǎn)子風磨耗大；需要精確的轉(zhuǎn)子位置信號對轉(zhuǎn)矩和電流進行控制，控制復雜三、高速電機保護套設(shè)計和轉(zhuǎn)子強度分析三、高速電機保護套設(shè)計和轉(zhuǎn)子強度分析電機高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子離心力很大，轉(zhuǎn)子強度分析和保護套設(shè)計是高速電機設(shè)計的關(guān)鍵。目前對高速永磁電機開展的轉(zhuǎn)子強度分析主要是針對轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時的穩(wěn)態(tài)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(zhuǎn)子的穩(wěn)定運行。由于大多數(shù)高速永磁電機選用釹鐵

12、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(nèi)轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)的永磁體，必須采取保護措施。三、高速電機保護套設(shè)計和轉(zhuǎn)子強度分析三、高速電機保護套設(shè)計和轉(zhuǎn)子強度分析目前最常用的保護措施主要有兩種：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產(chǎn)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(zhuǎn)子熱量難以散出，且碳纖維護套的加工工藝復雜，對加工精度要求較高。但是對于高速外轉(zhuǎn)子永磁電機，不需要采取保護措施，因此轉(zhuǎn)子應力分析的研究較少。三、高速電機保

13、護套設(shè)計和轉(zhuǎn)子強度分析三、高速電機保護套設(shè)計和轉(zhuǎn)子強度分析英國布里斯托大學Jason M. Yon 提出了一種半導磁的合金保護套，合金套的相對磁導率為 7.2，并對不導磁和半導磁合金保護套的電磁特性進行了分析。沈陽工業(yè)大學王鳳翔教授對一臺60000 r/min的告訴高速永磁電機設(shè)計了合金保護套，并對旋轉(zhuǎn)、靜止等不同工況下的轉(zhuǎn)子機械強度進行理論分析和二維有限元計算。浙江大學有提出一種周向和軸向開槽的合金保護套，并對其進入了深入的研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)可以在滿足轉(zhuǎn)子強度的要求下，有效減小合金保護套中的渦流損耗。四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算高速電機的鐵耗和銅耗的計算方法與

14、一般電機有著較大的區(qū)別。對于普通電機，磁場的諧波頻率比較低，轉(zhuǎn)子渦流損耗一般可以忽略，而對于高速永磁電機，轉(zhuǎn)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(fā)生不可逆退磁。因此對高速電機進行合理電磁設(shè)計與損耗的準確計算成為高速電機的關(guān)鍵問題之一。四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算在高速電機中，由于工作頻率較高，定子鐵心損耗成為電機的主要損耗，對電機的效率和發(fā)熱性能起到主導性作用，計算定子鐵耗，目前比較經(jīng)典的計算方法是建立 Bertotti 鐵耗分立計算模型，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。四、高速電機電磁設(shè)計與損

15、耗計算四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算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(zhuǎn)磁化，使得這種方法既考慮了諧波磁場又考慮了旋轉(zhuǎn)磁場，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，因而實現(xiàn)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(guān)，為了準確計算損耗，還需分析電機內(nèi)的電磁場。芬蘭赫爾辛基大學和瑞典斯德哥爾摩皇家技術(shù)學院都對高速電機內(nèi)的電磁場做了比較詳盡的分析。四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算轉(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間和空間諧波以及定子槽

16、開口引起的氣隙磁導變化所產(chǎn)生的。由于高速電機的旋轉(zhuǎn)速度高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)子表面的空氣摩擦摩耗要比普通電機大得多，在電機總損耗中占有較大比重，因此對空氣摩擦損耗的研究具有實際意義。目前國內(nèi)關(guān)于空氣摩擦損耗的研究還鮮有報道，尤其是基于流體場計算高速電機轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗。沈陽工業(yè)大學通過對60000 r/min 高速永磁電機的研究，對基于流體場空氣摩擦損耗計算方法進行初步分析和實驗驗證。四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算轉(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間和空間諧波以及定子槽開口引起的氣隙磁導變化所產(chǎn)生的

17、。由于高速電機的旋轉(zhuǎn)速度高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)子表面的空氣摩擦摩耗要比普通電機大得多，在電機總損耗中占有較大比重，因此對空氣摩擦損耗的研究具有實際意義。目前國內(nèi)關(guān)于空氣摩擦損耗的研究還鮮有報道，尤其是基于流體場計算高速電機轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗。沈陽工業(yè)大學通過對60000 r/min 高速永磁電機的研究，對基于流體場空氣摩擦損耗計算方法進行初步分析和實驗驗證。四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算轉(zhuǎn)子渦流損耗目前主要有解析法和有限元兩種分析方法。N.Boules 研究了在傳統(tǒng)渦流損耗分析基礎(chǔ)上考慮定子槽影響的高速永磁電機渦流損耗解析方法。Seo-Myeong Ja

18、ng 等在考慮空間和時間諧波基礎(chǔ)上對高速永磁電機轉(zhuǎn)子渦流損耗進行研究，通過對氣隙磁密有限元分析及傅里葉分解提出一種適合多定子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子損耗解析計算方法。Daniel M.Saban 和 Thomas A.Lipo 綜合解析法和有限元法的優(yōu)點提出混合計算方法來預測高速永磁電機轉(zhuǎn)子渦流損耗。四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算四、高速電機電磁設(shè)計與損耗計算國內(nèi)對轉(zhuǎn)子渦流損耗的研究主要是研究如何減少轉(zhuǎn)子渦流損耗。浙江大學周鳳爭等首先將定子電流傅里葉分解，然后等效在定子槽口電流片上，基于有限元對定子槽口寬度、氣隙長度和永磁體結(jié)構(gòu)對渦流損耗的影響做了分析計算，分析得出增加槽口寬度、減小氣隙和永磁體分塊都不利于

19、減小轉(zhuǎn)子渦流損耗。南京航空航天大學分別對高速電機定子槽及齒冠開槽及通用變頻器輸出側(cè)增加感抗器對高速電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響進行研究。研究表明在定子開槽有限情況下通過齒冠開槽等效多槽定子結(jié)構(gòu)和電源濾波能有效降低轉(zhuǎn)子損耗。五、高速電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計和溫升計算五、高速電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計和溫升計算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。五、高速電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計和溫升計算五、高速電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計和溫升計算電機冷卻方式主要分為風冷，油冷，水冷等。近年來，蒸發(fā)冷卻、風冷水冷結(jié)合冷卻等新技術(shù)不斷出現(xiàn)。英國牛津大學 R. Camilleri 對軸向磁通永磁電機提出了定子外水冷和繞組風冷相結(jié)合的冷卻系統(tǒng)。沈陽工業(yè)大學對高速永磁電機的通風散熱進行了研究，并對油冷進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)油冷與空冷相比，可以降低轉(zhuǎn)子表面通風產(chǎn)生的損耗，同時也能有效降低轉(zhuǎn)子溫升，實驗過程中發(fā)現(xiàn)定子繞組溫度基本和冷卻介質(zhì)溫度一致，因此當冷卻油的油溫升高時電機溫度也將升高。然