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    什么是高轉速微型直流電機?


      高轉速微型電機就是轉速非常高,它的特點是:轉子速度高、定子繞組電流和鐵芯磁通頻率高、功率密度和密度大。高轉速電機具有不同于普通微型電機的技術和設計方法,難度也高于普通轉速的電機。



      高轉速電機的應用


      高轉速在家用空調、冰箱、航空航天、汽車船舶等產品應用廣泛,小型的電子產品諸如電動牙刷、潔面儀、美容儀、電動玩具、按摩儀等等也會用到高轉速的微型電機。


      高轉速微型電機轉子速度通常是高于10000r/min,高轉速微型電機在高速旋轉下,常規的碟片轉子是難承受如此大的離心力的,一般是采用特殊的高強度疊片或實心轉子結構,尤其是大型的高轉速電機。對于永磁電機來講,轉子強度問題也是比較突出,燒結成的永磁材料承受不了高速旋轉產生產拉應力,所以需要要對永磁體采取保護措施,另外電機轉子和氣隙高速摩擦,轉子表面的摩擦損耗高于普通電機,這就需要考慮轉子的散熱問題了。


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      為了保證轉子有足夠的強度, 高轉速轉子設計的樣子多為細長型。 因此與常速電機相比, 高轉速轉子系統接近臨界轉速的可能性大大增加, 為了避免發生彎曲共振, 必須準確預測轉子系統的臨界轉速; 普通電機軸承無法在高速下可靠運行,必須采用高速軸承系統。


      電機繞組電流和鐵芯中磁通交變頻率很高,會在電機繞組、定子鐵心以及轉子中產生較大的高頻附加損耗。當定子電流頻率較低時, 通??梢院雎在吥w效應和鄰近效應對繞組損耗的影響, 但在高頻情況下定子繞組會產生明顯的趨膚效應和鄰近效應, 增大繞組附加損耗; 高轉速定子鐵心中磁通頻率高,趨膚效應的影響不能忽略, 常規的計算方法會帶來較大誤差, 為了準確計算高轉速的定子鐵心損耗, 需要探索(有點摸著石頭過河的感覺)高頻工況下的鐵耗計算模型。


    高轉速微型電機


      定子開槽與繞組非正弦分布引起的空間諧波以及由PWM供電產生的電流時間諧波均會在轉子中產生較大的渦流損耗, 由于轉子體積小、散熱條件差, 會給轉子散熱帶來極大困難, 因此轉子渦流損耗的準確計算以及探索有效降低轉子渦流損耗的措施, 對高轉速可靠運行具有重要意義; 同時高頻電壓或電流也給大功率轉速電機的控制器設計帶來了挑戰。


      高轉速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, 在轉子溫升過高的情況下, 永磁體易發生不可逆退磁 。設計一個良好的冷卻系統, 能有效降低定轉子溫升, 是大功率高轉速長期穩定運行的關鍵。


      綜上所述, 高轉速在轉子強度、轉子系統動力學、電磁設計、冷卻系統設計與溫升計算、高速軸承以及控制器的研制等方面存在許多常規電機所不具有的特殊關鍵問題, 因此高轉速的設計是一個集電磁場-轉子強度-轉子動力學-流體場與溫度場等多物理場多次迭代的綜合設計過程。


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      高轉速電機的類型


      目前應用于高速領域的電機類型主要有感應電機、永磁電機、開關磁阻電機等, 每種電機類型又有不同的拓撲結構。


      1)高速感應電機:感應電機轉子結構簡單、轉動慣量低, 并能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 。國內外最大功率的高速感應電機為15MW, 轉速為20000 r/min,在2002年研制的, 采用的是實心轉子結構; 高速感應電機最大速度為180000 r/min,功率為10kW,采用磁懸浮軸承, 實心轉子結構,線速度為219m /s, 電機的效率約為85% ;


      2)內轉子高速永磁電機:永磁電機具有效率和功率因數高及轉速范圍大等優點, 因此其在高速應用領域倍受青睞。相對于外永磁轉子電機, 內轉子永磁電機具有轉子半徑小及可靠性強的優點,成為高轉速的首選。內轉子高速永磁電機的最大功率已達8MW,轉速15000r /min, 為面貼式永磁轉子, 采用碳纖維保護套捆扎; 最高轉速的永磁電機為500000r/min,功率為1kW, 轉子表面線速度為261m /s,采用合金保護套。


      3)高速開關磁阻電機:開關磁阻電機以結構簡單、堅固耐用、成本低廉以及耐高溫等優點而備受矚目, 在高速領域的應用日益廣泛。高速開關磁阻電機目前可達的最大難度值為3. 51 × [公式], 最大功率為250 kW( 轉速 22 000 r /min) ,最高轉速為 200000 r /min( 功率 1 kW) 經過不斷的的發展, 國外對高轉速的研究已具備了相當的基礎, 產業化勢頭良好。國內對高轉速的研究基礎還較薄弱, 產業化水平較低, 國內對高轉速的研制多集中在中小功率和較低轉速的范圍內, 與國外尚有較大差距。



      綜合國內外的發展和研究現狀,針對兆瓦級以上的大功率高轉速和超高速高轉速的研究與應用還較少, 在高轉速的設 計與分析方面仍有一些問題亟需解決,主要包括:


      1) 高轉速的設計是一個多物理場和多學科交叉的綜合設計過程, 基于電磁場、應力場、轉子動力學、流體場與溫度場等多物理場耦合方法來分析高轉速的技術尚不成熟;??


      2) 高速軸承仍有很多問題亟需解決: 滾球軸承不能承受過高的轉速, 充油軸承系統龐大且在高速旋轉時易發生漏油問題, 空氣軸承承載負載能力有限, 磁懸浮軸承控制復雜、價格昂貴;??


      3) 大功率高轉速功率變換系統、控制系統與控制策略、實時監測系統的研發還很薄弱; 大功率高轉速的轉子動力學設計技術有待完善; 高轉速的加工工藝復雜, 距離產業化的要求還很遠;?


      4) 定轉子損耗的理論分析、計算方法以及實驗驗證等方面有待進一步研究; 大功率高速永磁電機多采用風冷和水冷相結合的冷卻方式, 冷卻結構復雜, 冷卻效果有限;?


      5) 永磁體抗拉強度低、耐溫能力差制約著高速永磁電機向超高速和大功率方向發展, 研發更高抗拉強度和更高耐溫水平的永磁材料對高轉速的發展具有重要意義;?


      6) 對于面貼式永磁電機, 合金保護套存在較大的渦流損耗, 碳纖維保護套的導熱系數較差, 給高速永磁電機的轉子散熱帶來了較大困難, 因此開發高導熱特性的纖維材料對于高速轉子的設計有重要價值;


      7) 常規疊片轉子不能承受較大的離心力, 實心轉子存在較大的渦流損耗, 需要對新型高強度轉子疊片材料和結構進行深入研究。



      ?高轉速以后的發展和研究方向主要在大功率高轉速和超高速高轉速的關鍵問題研究、基于多物理場和多學科的耦合設計、定轉子損耗的理論研究與實驗驗證、高強度與高耐溫能力的永磁材料、高導熱系數的纖維材料等新材料的開發及應用、高強度轉子疊片材料和結構的研究、不同功率和轉速等級下高速軸承的應用、良好散熱系統的設計; 高轉速控制系統的研制、滿足產業化要求的轉子加工及裝配新工藝等。
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