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高转速电机的类型和应用

2020年06月25日 18:11 次阅读

  高转速微型电机就是转速非常高,它的特点是:转子速度高、定子绕组电流和铁芯磁通频率高、功率密度和密度大。高转速电机具有不同于普通微型电机的技术和设计方法,难度也高于普通转速的电机。

  高转速电机的应用

  高转速在家用空调、冰箱、航空航天、汽车船舶等产品应用广泛,小型的电子产品诸如电动牙刷、洁面仪、美容仪、电动玩具、按摩仪等等也会用到高转速的微型电机。

  高转速微型电机转子速度通常是高于10000r/min,高转速微型电机在高速旋转下,常规的碟片转子是难承受如此大的离心力的,一般是采用特殊的高强度叠片或实心转子结构,尤其是大型的高转速电机。对于永磁电机来讲,转子强度问题也是比较突出,烧结成的永磁材料承受不了高速旋转产生产拉应力,所以需要要对永磁体采取保护措施,另外电机转子和气隙高速摩擦,转子表面的摩擦损耗高于普通电机,这就需要考虑转子的散热问题了。

  ​为了保证转子有足够的强度,高转速转子设计的样子多为细长型。因此与常速电机相比,高转速转子系统接近临界转速的可能性大大增加,为了避免发生弯曲共振,必须准确预测转子系统的临界转速;普通电机轴承无法在高速下可靠运行,必须采用高速轴承系统。

  电机绕组电流和铁芯中磁通交变频率很高,会在电机绕组、定子铁心以及转子中产生较大的高频附加损耗。当定子电流频率较低时,通常可以忽略趋肤效应和邻近效应对绕组损耗的影响,但在高频情况下定子绕组会产生明显的趋肤效应和邻近效应,增大绕组附加损耗;高转速定子铁心中磁通频率高,趋肤效应的影响不能忽略,常规的计算方法会带来较大误差,为了准确计算高转速的定子铁心损耗,需要探索(有点摸着石头过河的感觉)高频工况下的铁耗计算模型。

  定子开槽与绕组非正弦分布引起的空间谐波以及由PWM供电产生的电流时间谐波均会在转子中产生较大的涡流损耗,由于转子体积小、散热条件差,会给转子散热带来极大困难,因此转子涡流损耗的准确计算以及探索有效降低转子涡流损耗的措施,对高转速可靠运行具有重要意义;同时高频电压或电流也给大功率转速电机的控制器设计带来了挑战。

  高转速的体积远小于同等功率的常速电机,不仅功率密度和损耗密度大而且散热困难,如果不采用特殊散热措施,会使电机温升过高,从而缩短绕组寿命,特别对于永磁电机,在转子温升过高的情况下,永磁体易发生不可逆退磁。设计一个良好的冷却系统,能有效降低定转子温升,是大功率高转速长期稳定运行的关键。

  综上所述,高转速在转子强度、转子系统动力学、电磁设计、冷却系统设计与温升计算、高速轴承以及控制器的研制等方面存在许多常规电机所不具有的特殊关键问题,因此高转速的设计是一个集电磁场-转子强度-转子动力学-流体场与温度场等多物理场多次迭代的综合设计过程。

  高转速电机的类型

  目前应用于高速领域的电机类型主要有感应电机、永磁电机、开关磁阻电机等,每种电机类型又有不同的拓扑结构。

  1)高速感应电机:感应电机转子结构简单、转动惯量低,并能在高温和高速的条件下长时间运行,因此感应电机在高速领域应用比较广泛。国内外最大功率的高速感应电机为15MW,转速为20000r/min,在2002年研制的,采用的是实心转子结构;高速感应电机最大速度为180000r/min,功率为10kW,采用磁悬浮轴承,实心转子结构,线速度为219m/s,电机的效率约为85%;

  2)内转子高速永磁电机:永磁电机具有效率和功率因数高及转速范围大等优点,因此其在高速应用领域倍受青睐。相对于外永磁转子电机,内转子永磁电机具有转子半径小及可靠性强的优点,成为高转速的首选。内转子高速永磁电机的最大功率已达8MW,转速15000r/min,为面贴式永磁转子,采用碳纤维保护套捆扎;最高转速的永磁电机为500000r/min,功率为1kW,转子表面线速度为261m/s,采用合金保护套。

  3)高速开关磁阻电机:开关磁阻电机以结构简单、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。高速开关磁阻电机目前可达的最大难度值为3.51×[公式],最大功率为250kW(转速22000r/min),最高转速为200000r/min(功率1kW)经过不断的的发展,国外对高转速的研究已具备了相当的基础,产业化势头良好。国内对高转速的研究基础还较薄弱,产业化水平较低,国内对高转速的研制多集中在中小功率和较低转速的范围内,与国外尚有较大差距。

  综合国内外的发展和研究现状,针对兆瓦级以上的大功率高转速和超高速高转速的研究与应用还较少,在高转速的设计与分析方面仍有一些问题亟需解决,主要包括:

  1)高转速的设计是一个多物理场和多学科交叉的综合设计过程,基于电磁场、应力场、转子动力学、流体场与温度场等多物理场耦合方法来分析高转速的技术尚不成熟;​​

  2)高速轴承仍有很多问题亟需解决:滚球轴承不能承受过高的转速,充油轴承系统庞大且在高速旋转时易发生漏油问题,空气轴承承载负载能力有限,磁悬浮轴承控制复杂、价格昂贵;​​

  3)大功率高转速功率变换系统、控制系统与控制策略、实时监测系统的研发还很薄弱;大功率高转速的转子动力学设计技术有待完善;高转速的加工工艺复杂,距离产业化的要求还很远;​

  4)定转子损耗的理论分析、计算方法以及实验验证等方面有待进一步研究;大功率高速永磁电机多采用风冷和水冷相结合的冷却方式,冷却结构复杂,冷却效果有限;​

  5)永磁体抗拉强度低、耐温能力差制约着高速永磁电机向超高速和大功率方向发展,研发更高抗拉强度和更高耐温水平的永磁材料对高转速的发展具有重要意义;​

  6)对于面贴式永磁电机,合金保护套存在较大的涡流损耗,碳纤维保护套的导热系数较差,给高速永磁电机的转子散热带来了较大困难,因此开发高导热特性的纤维材料对于高速转子的设计有重要价值;

  7)常规叠片转子不能承受较大的离心力,实心转子存在较大的涡流损耗,需要对新型高强度转子叠片材料和结构进行深入研究。

  ​高转速以后的发展和研究方向主要在大功率高转速和超高速高转速的关键问题研究、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;高转速控制系统的研制、满足产业化要求的转子加工及装配新工艺等。

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