
高速电机设计有什么特点?佳积无刷风机可达11万转!
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- 发布时间:2023-06-13 14:41
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高速电机设计有什么特点?佳积无刷风机可达11万转!
高速电机的转速超过10000r/min,具有以下主要特点:
1)电机功率密度高,同功率情况下,体积远小于同等功率普通电机,可有效节约原材料。
2)可与原动机直接连接,取消传统的减速机构,传动效率高,噪音小。
3)转动惯量小,动态响应快。目前成功实现高速化的主要有感应电机、永磁电机和开关磁阻电机。在确定高速电机结构形式时,需要对其电磁特性和机械特性综合对比研究。从功率密度和效率角度考虑,选择顺序为永磁电机、感应电机和磁阻电机;从转子机械特性方面来说,选择顺序为磁阻电机、感应电机和永磁电机。目前中小功率高速电机采用永磁电机较多,中大功率高速电机采用感应电机较多。
- 高速电机主要类型及其特点
目前应用的高速电机类型主要有感应电机、永磁电机和开关磁阻电机,每种类型的电机又有不同的拓扑结构。高速感应电机转子结构简单、转动惯量低,能在高速条件下长时间运行,在高速领域应用比较广泛。永磁电机具有效率和功率因数高,转速调节范围大的优点,在高速应用领域应用广泛;相对于外永磁转子电机,内转子永磁电机具有转子半径小、可靠性强的优点,成为永磁高速电机的首选。开关磁阻电机结构简单、坚固耐用、成本低廉,耐高温,在高速领域应用广泛。表1是对上述三种主要类型高速电机优缺点的总结。
表 1 三种主要类型高速电机的优缺点比较表
2.高速电机设计制造需要解决的重点问题
高速电机在设计方面与普通电机存在较大差别,设计时重点考虑电机高速运转对转子强度,轴承适应性,损耗散热等方面的特殊要求。高速电机设计和发展方面主要存在以下几点问题:
一是轴承方面,滚球轴承在高强度转速下,可能会发生漏油问题,且负载能力有限,价格昂贵。
二是在电机的设计方面需要多学科知识进行支持,因此,需要结合不同种类的外界因素进行电机技术研究。
三是在永磁体方面,永磁体的强度和耐温能力都相对较差,对高速永磁电机的发展极为不利。四是叠片转子所能承受的离心力很小,涡流损耗却较大,需要更深入的探索研究。五是在定、转子损耗,以及相关计算方法方面,需要有所提升。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以及高速轴承的研制方面,存在与常规电机不同特性,所以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。
由于高速电机的转子速度高于10000 r /min,电机旋转时,常规叠片转子难以承受巨大离心力作用,需要采用特殊的高强度叠片或采用实心转子结构。对于永磁电机来说,因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;同时电机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,需要考虑转子散热问题。为保证转子有足够的强度,高速电机转子设计为细长型。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增加,为避免发生弯曲共振,必须根据转子系统的临界转速,对转子强度进行相应调整改善。
高速电机的轴承运转系统在设计时必须重点关注,合理选择,充分考虑以下不利因素,普通滚球轴承不能承受过高的转速,充油轴承系统庞大,高速旋转时易发生漏油,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。高速电机必须综合最高转速和轴承使用环境,选择适宜结构的轴承。为提高轴承的高速性能,常采用两种方法,一是减小滚球的直径,如采用已标准化的71900系列主轴轴承;二是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滚珠,由于Si3N4陶瓷材料的密度仅为轴承钢的40%,因而这种轴承的高速性能明显高于全钢轴承,可抑制振动及高速回转时滚珠公转和自转的滑动,提高轴的回转精度。同时注意在主轴上使用的滚动轴承均需预紧。
高速电机绕组电流和铁芯中磁通交变频率很高,会在电机绕组、定子铁芯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;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。因此,高速电机定子铁芯中磁通频率高,趋肤效应的影响不能忽略,常规计算方法会带来较大误差,为准确计算高速电机的定子铁芯损耗,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由变频器供电产生的电流时间谐波,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,为保证高速电机可靠运行,应探索有效降低转子涡流损耗的措施,对转子涡流损耗进行准确计算。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,缩短绕组寿命。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,是大功率高速电机长期稳定运行的关键。
3.高速电机生产选材影响因素和关键问题研究
从产业链上游来看,硅钢、铜、铝、磁性材料、变频器等是高速电机生产中重要的原材料,其中硅钢、磁性材料为基础材料,变频器为主要零部件。这些原材料的相关变动会影响高速电机的质量和成本。从产业链下游来看,高速电机是应用于木材、五金、玻璃、石材、PVC、航空、船舶、汽车等行业生产加工设备的配套产品,其产品性能必须满足这些设备需要。下游行业对高速电机制造业的影响主要表现在市场需求和市场竞争,高速电机制造行业的发展依赖下游行业拉动,同时在一定程度上制约着这些行业的发展。从目前情况看,国外对高速电机的研究起步较早,已具备相当基础,形成产业化规模。国内对高速电机研究基础较薄弱,产业化水平较低,对高速电机的研制多集中在中小功率和较低转速的范围内,与国外存在较大差距。
目前高速和超高速电机的关键问题研究主要集中在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;高速电机控制系统的研制;满足产业化要求的转子加工及装配新工艺等。
4.结论
高速电机在空调或冰箱的离心式压缩机等多种场合得到广泛应用,随着科学技术的发展,设备特殊要求越来越多,高速电机的应用会越来越广。特别是在混合动力汽车,航空,船舶等领域,具有良好的应用前景。
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