高速永磁無刷電機的若干設(shè)計要點課件

1、高速永磁無刷電機的若干設(shè)計要點課件高速永磁無刷電機的若干設(shè)計要點課件一、高速電機的主要優(yōu)點 電機功率密度高。使用高速電機，既可以節(jié)省電機的生產(chǎn)材料，又可滿足某些對體積、尺寸有特殊限制的應(yīng)用需求。 有些負載“喜歡”高速：例如風機、離心壓縮機等，高速運行可以減小體積和重量、提高效率，所以目前的一種設(shè)計趨勢就是高速化。 有些負載“要求”高速：例如旋轉(zhuǎn)式陀螺、核材料分離用的離心機、飛輪儲能系統(tǒng)等，本身就必須高速運行。 所有這些“喜歡”或者“要求”高速運行的負載，若用普通轉(zhuǎn)速的電機驅(qū)動，就需要機械式的齒輪增速機構(gòu)，體積大、成本高、效率低、噪聲大、壽命短；若用高速電機直接驅(qū)動，就可以克服這些缺點。一、高速

2、電機的主要優(yōu)點 電機功率密度高。使用高速電機，既可二、高速電機的定義與分類在定義高速時，勢必要考慮功率等級。與時俱進。 小功率高速電機：功率在數(shù)十瓦至數(shù)千瓦范圍，轉(zhuǎn)速一般超過10萬轉(zhuǎn)/分鐘。 中小功率高速電機：功率為數(shù)十千瓦，轉(zhuǎn)速范圍一般在510萬轉(zhuǎn)/分鐘。 中等功率高速電機：功率為數(shù)百千瓦，轉(zhuǎn)速范圍一般在16萬轉(zhuǎn)/分鐘。 大功率高速電機：功率為數(shù)兆瓦，轉(zhuǎn)速范圍一般在0.62萬轉(zhuǎn)/分鐘。二、高速電機的定義與分類在定義高速時，勢必要考慮功率等級。與二、高速電機的分類與應(yīng)用 第、類高速電機主要可以用在慣性導航裝置、牙科磨頭、離心機、雕刻機、微型或小型電輔助渦輪增壓器、制冷壓縮機、微型或小型燃氣輪發(fā)

3、電機系統(tǒng)、高速電主軸，等。 這兩類的高速電機，國內(nèi)外已取得了不少成果，許多相關(guān)技術(shù)基本成熟，其應(yīng)用也日益廣泛。 第類高速電機可以應(yīng)用在大型高速風機、大型空氣壓縮機和制冷壓縮機、大型儲能裝置等。國內(nèi)外的相關(guān)研究并不多見，還有不少特殊問題亟待研究解決。 美國Kentucky大學、GE公司、Sundstrand公司：250kW、375kW、500kW，4.85.2萬轉(zhuǎn)/分鐘開關(guān)磁阻發(fā)電機。 二、高速電機的分類與應(yīng)用 第、類高速電機主要可以二、高速電機的分類與應(yīng)用 第類高速電機的研究和應(yīng)用在國際上很少，所見的報道僅有美國麻省理工學院研制的1.5萬轉(zhuǎn)/分鐘、5兆瓦高速感應(yīng)發(fā)電機（？），以及美國Calne

4、tix公司研制的1.92.25萬轉(zhuǎn)/分鐘、2兆瓦高速永磁發(fā)電機等。 但是，可以預見，第類高速電機必將是電機領(lǐng)域的重要研究方向。 二、高速電機的分類與應(yīng)用 第類高速電機的研究三、高速電機的常見結(jié)構(gòu)形式一般采用無刷式結(jié)構(gòu) 常見的無刷式高速電機結(jié)構(gòu)包括以下四類（當然不排除還有其他特殊結(jié)構(gòu)的電機）： 感應(yīng)電機，包括鼠籠轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機和實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機等； 開關(guān)磁阻電機； 永磁同步電機； 永磁無刷直流電機。三、高速電機的常見結(jié)構(gòu)形式一般采用無刷式結(jié)構(gòu) 常見四、高速永磁無刷電機的設(shè)計要點空氣軸承磁懸浮軸承（無軸承電機）液體動壓軸承滾珠軸承1. 軸承的相關(guān)問題四、高速永磁無刷電機的設(shè)計要點空氣軸承1. 軸承的

5、相關(guān)問題在高速電機中使用滾動軸承是可行的。 選型：精度、游隙、材質(zhì)、形式 裝配 潤滑 冷卻（包括軸承的熱分析） 軸系的設(shè)計（徑向力與軸向力的分布，固有頻率與振動模態(tài)，等） 轉(zhuǎn)子的動平衡在高速電機中使用滾動軸承是可行的。 選型：精度、游隙、材質(zhì)、部分品牌軸承的實測損耗（一對7001軸承）NSK鋼球GMN鋼球FAG陶瓷球FAG (密封)陶瓷球部分品牌軸承的實測損耗（一對7001軸承）NSK鋼球GMN鋼滾動軸承與潤滑脂滾動軸承與潤滑脂2. 轉(zhuǎn)子機械強度與動力學設(shè)計 高速電機轉(zhuǎn)子承受巨大的離心力，因此其機械強度是必須注意的問題。常見的解決辦法是在轉(zhuǎn)子外側(cè)加裝保護套，例如非導磁金屬保護套（鈦合金、Inc

6、onel合金、高強度合金鋼等）（會引起額外的渦流損耗）和高強度纖維類保護套（碳素纖維、玻璃纖維等） （熱阻大） 。 注意：轉(zhuǎn)軸、鐵芯、永磁材料及保護套的熱膨脹系數(shù)。2. 轉(zhuǎn)子機械強度與動力學設(shè)計 高速電機轉(zhuǎn)子承 機械強度的預測：公式計算，有限元軟件仿真。 機械強度的預測：公式計算，有限元軟件仿真。 合理設(shè)計電機的軸系結(jié)構(gòu)。 避免轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)應(yīng)力集中。 需要計算轉(zhuǎn)子的各階振動模態(tài)和對應(yīng)的固有頻率，使得轉(zhuǎn)子在整個工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不發(fā)生共振現(xiàn)象。 合理設(shè)計電機的軸系結(jié)構(gòu)。高速永磁無刷電機的若干設(shè)計要點課件高速永磁無刷電機的若干設(shè)計要點課件高速永磁無刷電機的若干設(shè)計要點課件避免不必要的懸臂梁結(jié)構(gòu)或過長的轉(zhuǎn)

7、子！有限元法預測轉(zhuǎn)子的動力學特性往往是足夠準確的。避免不必要的懸臂梁結(jié)構(gòu)或過長的轉(zhuǎn)子！有限元法預測轉(zhuǎn)子的動力學 電機轉(zhuǎn)子受到的不平衡力與力矩波動，也是影響轉(zhuǎn)子工作的重要因素。 例如，在常見的轉(zhuǎn)子2極、定子3齒、集中繞組的結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子受到明顯的單邊磁拉力。該磁拉力對轉(zhuǎn)子造成很大的激勵，致其振動。若激勵頻率接近共振頻率，就非常危險。該激勵也顯著會縮短滾珠軸承的壽命。所以，這種常見的結(jié)構(gòu)用于高速永磁無刷電機中時，須作格外的設(shè)計校核。 設(shè)計時要盡量避免非對稱結(jié)構(gòu)。 電機轉(zhuǎn)子受到的不平衡力與力矩波動，也是影響轉(zhuǎn)3. 損耗分析與削弱 高速電機中的各種損耗往往比普通轉(zhuǎn)速電機高。有些損耗在普通轉(zhuǎn)速電機中體現(xiàn)得

8、不明顯，但是在高速電機中就非常突出。3. 損耗分析與削弱 高速電機中的各種損耗往往3.1 定子鐵耗 磁密設(shè)計較低 極數(shù)盡量少 鐵芯材料的選擇 薄硅鋼片，如WTG200 坡莫合金片材 非晶合金片材 軟磁復合材料SMC3.1 定子鐵耗 磁密設(shè)計較低 薄硅鋼片，如WTG200薄疊片鐵芯的加工： 疊片的加工： 沖加工（不適合薄片）； 線切割； 激光切割（不適合常規(guī)感應(yīng)電機）。 鐵芯的疊制： 扣片（不太適合薄片鐵芯的高速電機）； 氬弧焊（不太適合薄片鐵芯的高速電機）； 膠粘。薄疊片鐵芯的加工： 鐵芯的疊制：激光切割的疊片(0.1mm)0.5mm左右的灼傷深度激光切割的疊片(0.1mm)0.5mm左右的灼

9、傷深度SMC（soft magnetic composites）產(chǎn)品：0,1mm 可以壓注成形，精度很高； 可以象金屬那樣加工（包括線切割）HoganasSMC（soft magnetic composites）產(chǎn)Aisin Seiki Co., Ltd3D 磁場Aisin Seiki Co., Ltd3D 磁場3.2 定子銅耗 高頻條件下的導體集膚效應(yīng)： 多股并繞，每股的半徑小于透入深度。 里茲線（Litz wire） 臨近效應(yīng)（Proximity Loss） 里茲線 多股并繞且絞線透入深度3.2 定子銅耗 高頻條件下的導體集膚效應(yīng)：透入深度3.3 轉(zhuǎn)子渦流損耗 永磁無刷直流電機原理上是一臺

10、同步電機，通常轉(zhuǎn)子渦流損耗可以不計。但是在高速運行條件下，轉(zhuǎn)子渦流損耗往往較大，甚至可能導致永磁體過熱、失磁、損壞。3.3 轉(zhuǎn)子渦流損耗 永磁無刷直流電機原理上案例：15萬轉(zhuǎn)/分鐘、3千瓦 論文圖5的照片有誤案例：15萬轉(zhuǎn)/分鐘、3千瓦 論文圖5的照片有誤3.3.1 轉(zhuǎn)子渦流損耗受定子結(jié)構(gòu)影響3.3.1 轉(zhuǎn)子渦流損耗受定子結(jié)構(gòu)影響3.3.2 轉(zhuǎn)子渦流損耗受氣隙大小影響3.3.2 轉(zhuǎn)子渦流損耗受氣隙大小影響3.3.3 轉(zhuǎn)子渦流損耗受轉(zhuǎn)子保護套材質(zhì)影響3.3.3 轉(zhuǎn)子渦流損耗受轉(zhuǎn)子保護套材質(zhì)影響3.3.4 轉(zhuǎn)子渦流損耗受轉(zhuǎn)子屏蔽套影響 采用銅屏蔽層以后，轉(zhuǎn)子渦流損耗減小的絕對值雖然有限，但可有效降

11、低轉(zhuǎn)子溫升，可達5070之巨。 3.3.4 轉(zhuǎn)子渦流損耗受轉(zhuǎn)子屏蔽套影響 采用3.3.5 轉(zhuǎn)子渦流損耗受永磁體分塊影響1塊8塊2塊36塊3.3.5 轉(zhuǎn)子渦流損耗受永磁體分塊影響1塊8塊2塊36塊3.4 轉(zhuǎn)子風摩損耗 風摩損耗與轉(zhuǎn)子尺寸、轉(zhuǎn)速、氣體密度等因素有關(guān)，也與電機氣隙大小、定轉(zhuǎn)子表面粗糙度有關(guān)。 可以用公式粗略計算（欠準），也可以用有限元軟件計算（復雜）。 3.4 轉(zhuǎn)子風摩損耗 風摩損耗與轉(zhuǎn)子尺寸、轉(zhuǎn)速高速永磁無刷電機的若干設(shè)計要點課件在轉(zhuǎn)子外表面上適當?shù)亻_些淺槽，對風摩損耗的影響并不大。是否可以改善轉(zhuǎn)子的散熱？ 在轉(zhuǎn)子外表面上適當?shù)亻_些淺槽，對風摩損耗的影響并不大。4. 其他設(shè)計考慮溫

12、升與散熱 工藝及其敏感性 可靠性與壽命 噪聲 驅(qū)動控制 4. 其他設(shè)計考慮溫升與散熱 五、高速永磁無刷電機的若干科研項目與樣機120krpm, 120W120krpm, 600W五、高速永磁無刷電機的若干科研項目與樣機120krpm, 1120krpm, 3kW120krpm, 3kW120krpm, 3kW120krpm, 3kW100krpm, 3kW100krpm, 3kW88krpm, 15kW88krpm, 15kW67krpm, 20kW67krpm, 20kW150krpm, 3kW150krpm, 3kW致謝 本文引用了作者在Sheffield Univ.及IMRA-UKRC工

13、作期間的部分研究成果，以及作者在浙江大學指導研究生（周鳳爭、王凱、郝鶴、方宗喜等）取得的研究成果，在此向相關(guān)單位和人員表示感謝。同時感謝國家自然科學基金項目（51077116）的支持。Q&A致謝 本文引用了作者在Sheffield Un高速永磁無刷電機的若干設(shè)計要點課件國內(nèi)研究現(xiàn)狀高速電機的研究尚處起步階段，但愈來愈多。主要以國家自然科學基金項目為例 沈陽工業(yè)大學承擔的NSFC重點項目（50437010/E052201） 燃氣輪機驅(qū)動的高速發(fā)電機 ： 高速轉(zhuǎn)子的應(yīng)力與強度問題； 高溫電磁軸承； 定子鐵芯的損耗問題。 其他：論文報道有65kW左右的高速電機。國內(nèi)研究現(xiàn)狀高速電機的研究尚處起步階段

14、，但愈來愈多。 沈陽工 南京航空航天大學承擔的NSFC面上項目（50407003/E070303, 50377012/E070303） 高速開關(guān)磁阻電動機 ： 轉(zhuǎn)子動力學問題，無軸承。 東南大學承擔的NSFC面上項目（50477021/E070203） 高速電機定子鐵芯損耗。 浙江大學承擔的NSFC面上項目（50477031/E070303） 永磁無軸承電機。 （浙大還有研究無軸承感應(yīng)電機、電磁軸承） 南京航空航天大學承擔的NSFC面上項目（50407003/ 不少企業(yè)與研究所在做高速電機產(chǎn)品： 電主軸、高速鼓風機電機、燃氣輪發(fā)電機、渦扇發(fā)動機起發(fā)電機、軍用電機。 浙江大學： 1) 浙江省NS

15、F面上項目(Y104442)：3千瓦，12萬轉(zhuǎn)/分鐘 2) 非基金項目：15-20千瓦,6-8萬轉(zhuǎn)/分鐘； 3) NSFC基金項目（51077116）：110千瓦,1.4萬轉(zhuǎn)/分鐘 不少企業(yè)與研究所在做高速電機產(chǎn)品： 浙江大學：國外研究現(xiàn)狀10千瓦以上的高速電機，轉(zhuǎn)速一般在6萬轉(zhuǎn)/分鐘以內(nèi)。 10千瓦以下的高速電機，轉(zhuǎn)速達10萬轉(zhuǎn)/分鐘以上。已開始產(chǎn)品化。 美國Calnetix公司：2MW， 1.92.25萬轉(zhuǎn)/分鐘永磁發(fā)電機 美國Kentucky大學、GE公司、Sundstrand公司：30kW、250kW、375kW、500kW，4.85.2萬轉(zhuǎn)/分鐘開關(guān)磁阻發(fā)電機 美國MIT：5MW， 1.5萬轉(zhuǎn)/分鐘感應(yīng)發(fā)電機中、大功率高速電機國外研究現(xiàn)狀10千瓦以上的高速電機，轉(zhuǎn)速一般在6萬轉(zhuǎn)