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专注高速电主轴研发生产十五年

【干货】高速电机设计发展综述引言
编辑:瑞德沃斯浏览量:199发布日期: 2019-06-13


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高速电机具有体积小、功率密度大、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等特点,在高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、燃料电池、天然气输送高速离心压缩机以及作为飞机或舰载供电设备的分布式发电系统等领域具有广阔的应用前景,目前已成为国际电工领域的研究热点之一。

高速电机的主要特点是转子速度高、定子绕组电流和铁心中磁通频率高、功率密度和损耗密度大。这些特点决定了高速电机具有不同于常速电机特有的关键技术与设计方法。

高速电机的转子速度通常高于10 000 r/min,在高速旋转时,常规叠片转子难以承受巨大的离心力,需要采用特殊的高强度叠片或实心转子结构;对于永磁电机来说,转子强度问题更为突出,因为烧结而成的永磁材料不能承受转子高速旋转产生的拉应力,必须对永磁体采取保护措施;转子与气隙高速摩擦,在转子表面造成的摩擦损耗远大于常速电机,给转子散热带来很大困难;为了保证转子有足够的强度,高速电机转子多为细长型,因此与常速电机相比,高速电机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。


高速电机绕组电流和铁心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。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;高速电机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,为了准确计算高速电机的定子铁心损耗,需要探索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,对高速电机可靠运行具有重要意义;同时,高频电压或电流也给大功率高速电机的控制器设计带来了挑战。

高速电机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。设计良好的冷却系统,能有效降低定转子温升,是大功率高速电机长期稳定运行的关键。

综上所述,高速电机在转子强度、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,因此高速电机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。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、开关磁阻电机以及爪极电机,每种电机类型又有不同的拓扑结构。

本文对国内外不同类型高速电机的发展现状进行了分析,总结了现有不同类型高速电机的极限指标;详细分析了高速电机结构与设计特点,包括定子设计、不同类型转子结构设计、转子系统动力学分析与轴承选取以及冷却系统的设计等,最后分析了高速电机发展所面临的主要问题,展望了高速电机的发展趋势与前景。

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