高速電機調(diào)研報告資料

1、 基于高速電機的調(diào)研報告隨著電力工業(yè)的發(fā)展，我國的電力工業(yè)水平已經(jīng)躍居世界第二位，發(fā)電廠的裝機容量在不斷擴大，但是我國的電力發(fā)展及其分布卻很不均勻，其根本原因在于我國幅員遼闊，東、西部經(jīng)濟發(fā)展不平衡，導致了不但偏遠地區(qū)用電困難，中心城市在用電高峰期時電力供應也嚴重不足。目前， 我國電力生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式為集中發(fā)電、遠距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)，這種供電模式有很多的缺點，比如：（ 1）電力輸送所需的成本隨著輸電距離的增加而增大；（ 2）電能在輸送過程中存在著損耗；（ 3）電力需求隨季節(jié)、時間的不斷變化，造成電力生產(chǎn)與用戶需求不協(xié)調(diào)等等。另外，集中式供電模式還存在一些更嚴重的問題：（

2、1）如果供電中樞或電力網(wǎng)出現(xiàn)故障，將造成的嚴重的經(jīng)濟損失，且極易遭到戰(zhàn)爭或恐怖勢力的破壞；（ 2） 集中式大電網(wǎng)不能跟蹤電力負荷的變化，而為了短暫的峰荷建造發(fā)電廠花費巨大，且經(jīng)濟效益較低。相比集中式供電系統(tǒng)，采用基于高速電機的液體或氣體燃料的內(nèi)燃機、微型燃氣輪機為動力源的分布式供電系統(tǒng)作為輔助手段，不但可以很好地解決上述的問題，而且具有良好的環(huán)保性能。高速電機的介紹現(xiàn)代生活中，電機在電能的生產(chǎn)、輸送和使用等方面起著至關重要的角色，而高速電機正成為電機研究領域的一個熱點，它不僅可獲得更大的生產(chǎn)率，而且還可獲得很高的加工質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)成本，因而被認為是21 世紀最有發(fā)展前途的先進制造技術之一。

3、1 高速電機的定義所謂高速電機，通常是指轉(zhuǎn)速超過10000r/min 的電機，它的電機功率密度大，動態(tài)響應快，且轉(zhuǎn)動慣量小，幾何尺寸遠小于輸出功率相同的中低速電機，可以有效的節(jié)約材料；其還可以與原動機或負載直接相連，省去了傳統(tǒng)的機械變速裝置，減小了噪音，提高了傳動系統(tǒng)的效率。2 高速電機的分類與優(yōu)劣性高速電機就其供電方式而言可以分為兩類，即直流高速電機和交流高速電機兩種，后者又分為高速異步電動機和高速同步電機。根究不同的需求，高速電機又可分為多種結(jié)構(gòu)形式，如感應電機，永磁電機和磁阻電機等。從結(jié)構(gòu)上看，直流高速電機幾乎全都是無刷直流電機，而無刷直流高速電機和交流離速電機均屬于無觸點電機的范疇，有

4、觸電的高速電機幾乎是沒有的，這主要是由于電機轉(zhuǎn)速高和有觸點電機的結(jié)構(gòu)所決定的。交直流兩類高速電機各有優(yōu)缺點，如表 1 所示， 就目前來看很難斷言哪類電機的優(yōu)越性更大。表 1 交流高速異步、同步電機的優(yōu)劣性對比優(yōu)點缺點交流高速異步電機結(jié)構(gòu)簡單，造價低、抗離心力能 力強，轉(zhuǎn)速可以做的較高效率較低，啟動狀態(tài)電流大， 相應的要求電源容量大交流高速同步電機通過對電源的頻率控制可以實現(xiàn) 精確的速度控制結(jié)構(gòu)復雜，抗離心能力差直流高速無刷電機的優(yōu)劣性如表2 所示。 直流高速無刷電機在高速運轉(zhuǎn)情況下對位置傳感器的要求較高，傳感器必須具有響應快、輸出大、 性能穩(wěn)定的特性。但是， 當轉(zhuǎn)速高到一定程度時，這些要求對傳

5、感器而言是很難全面保證的，因此實際使用中需要根據(jù)具體情況才能決定采用哪種電機較為合適。表 2 直流高速無刷電機的優(yōu)劣性優(yōu)點缺點直流高速無刷電機效率高、可以方便地實行速度控制結(jié)構(gòu)復雜，抗離心力的能力差，最大的缺點在于其必須有位置傳感器，對傳感器的要求較高根據(jù)查閱的資料顯示，實際使用中，如果從功率密度和效率考慮，一般優(yōu)先考慮的選擇順序為永磁電機、感應電機和磁阻電機。如果從轉(zhuǎn)子機械特性考慮，其優(yōu)先考慮選擇的順序恰好相反，即磁阻電機、感應電機和永磁電機。在確定高速電機結(jié)構(gòu)形式時，需要對其電磁特性和機械特性綜合對比研究，目前中小功率高速電機采用永磁電機較多，中大功率高速電機采用感應電機較多。2 高速電機

6、的特性研究與關鍵技術在高速和超高速運行情況下，電機的運行特性與常規(guī)電機是有很大的不同的，因此，對電機的設計理論和控制技術具有很高的研究價值。1 高速電機的特點高速電機有兩個主要特點：一是它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)，圓周速度可達200m/s以上；二是它的定子繞組電流和鐵心中磁通的頻率高達 1000Hz以上。2 高速電機的關鍵技術1）高速電機不僅由于繞組電流和鐵心中磁通交變頻率增加導致基本電氣損耗的增加，而且還增加了高頻附加損耗，特別是轉(zhuǎn)子表面由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風磨損耗和軸承損耗在總損耗中所占有較大的比重, 且與電機運行速度和散熱條件密切相關，因而難以準確計算。隨著轉(zhuǎn)速的提高，同樣輸

7、出條件下，相比普通電機，高速電機的體積小、重量輕，但是機械損耗和鐵耗增大了。由于趨膚效應 導線內(nèi)部實際上電流很小，電流集中在臨近導線外表的一薄層，結(jié)果使它的電阻增加，導線電阻的增加，使它的損耗功率也增加，這一現(xiàn)象稱為趨膚效應。導線內(nèi)部實際上電流很小，電流集中在臨近導線外表的一薄層，結(jié)果使它的電阻增加，導線電阻的增加，使它的損耗功率也增加，這一現(xiàn)象稱為趨膚效應。散熱和冷卻方式在高速電機里顯得更為突出。通常采用強迫通風和外循環(huán)水冷技術的辦法解決，這樣高速電機的結(jié)構(gòu)就變得比較復雜，不僅有氣路，還有一個供循環(huán)水存儲流通的“小室”結(jié)構(gòu)位于定子鐵心的外面。2）轉(zhuǎn)子強度的準確計算和動力學分析是高速電機設計的

8、關鍵技術之一。高速電機在旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子的離心力很大，當線速度達到200m/s 以上時，常規(guī)的疊片轉(zhuǎn)子難以承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，容易造成轉(zhuǎn)子變形、破碎，因此，電機轉(zhuǎn)子圓周的線速度不能太大，這就要求在設計轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和金屬材料時使用特殊的高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子，并對其圓周速度進行限制。根據(jù)相關資料顯示，其值應符合表3 的要求。 當轉(zhuǎn)子的線速度已達到表3 中的極限值，而轉(zhuǎn)子的速度卻未達到要求的轉(zhuǎn)速時，就必須縮小轉(zhuǎn)子的外徑，因此， 高速電機轉(zhuǎn)子的外徑通常比普通電機的小。表 3 高速電機的轉(zhuǎn)子線速度要求轉(zhuǎn)子線速度轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)米 /秒無刷直流電機轉(zhuǎn)子 110同步機迭片筒形轉(zhuǎn)子 130異步機迭片轉(zhuǎn)子 110實心轉(zhuǎn)子

9、 1103）高速電機對于所用的軸承及其潤滑也有一定的要求。高速電機不能采用傳統(tǒng)的機械軸承，而需要采用非接觸式軸承。一般高速電機軸承可分為金屬軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承三類。當使用金屬軸承時，對其的潤滑方式是不得不考慮的問題，一般常用的是噴氣潤滑和噴霧潤滑，噴氣潤滑的潤滑油以噴氣流的形式用1000 2000cc/min 的速度吹入軸承進行潤滑；噴霧潤滑要求壓縮空氣的壓力為2 2.5kg/cm 2。當然，噴氣潤滑和油霧潤滑只適用一定的轉(zhuǎn)速范圍，通常以電機轉(zhuǎn)速與金屬軸承內(nèi)徑之積來確定選用潤滑方式的依據(jù)，該值通常稱為ND值，油霧潤滑ND值不大于0.7 106時適用，而噴氣潤滑ND值可以達到0.1 10

10、7?？諝廨S承的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。用壓縮空氣代替油膜實現(xiàn)氣懸浮，漏氣比漏油問題容易解決。與磁懸浮軸承比，空氣軸承的體積較小，控制簡單；其缺點是用很薄的一層壓縮空氣（25nm）支撐轉(zhuǎn)子，承受負載能力有限，同時對軸承材料的性能與加工精度要求極高。1 空氣軸承結(jié)構(gòu)原理示意圖磁懸浮是目前唯一可以實現(xiàn)主動控制的現(xiàn)代支承技術，通過磁力耦合實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子之間的非接觸懸浮，可進行動態(tài)懸浮力控制，不存在漏油和漏氣問題，在高速電機中應用較多，具有允許轉(zhuǎn)速高、摩擦功耗小、無需潤滑和壽命長等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。磁懸浮技術已經(jīng)成為高速電機的重要研究內(nèi)容之一。a. 與電機分離的磁力軸承電機b. a. 與電機分離的磁

11、力軸承電機圖 2 磁懸浮軸承示意圖（ 4）高速電機較合理的方式是采用內(nèi)裝電機直接驅(qū)動，即將電機的轉(zhuǎn)子直接安裝在主軸上，定子安裝在主軸套筒里，做成所謂電主軸的形式。該電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于平衡、傳動較率高等優(yōu)點，是高速主軸理想的結(jié)構(gòu)。電主軸的性能除了受軸承及其潤滑技術影響較大以外，還受許多因素的影響，其中包括軸承預緊力的控制、內(nèi)裝電機的發(fā)熱與冷卻、主軸的動平衡、軸上零件的連接等，此外，主軸軸端的設計也是高速電主軸不容忽視的問題。（ 5）不管采用永磁發(fā)電機還是感應發(fā)電機，都需要采用適當?shù)墓β首儞Q系統(tǒng)， 將高速發(fā)電機輸出的高頻交流電能轉(zhuǎn)化為恒頻恒壓的電能供給用戶使用。高速電動機則需要變頻調(diào)速系統(tǒng)，

12、因此需要研究高速電機功率變換和控制系統(tǒng)的電路拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略。以上提到的一系列問題均由高速引起的，轉(zhuǎn)速越高這些問題就越嚴重，這些特點在設計和制造高速電機時必須予以充分注意。3 高速永磁直流無刷電機的分析高速電機可以選用交流同步電機和無刷直流電機，但是交流同步機會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以通常選用無刷直流電動機。無刷直流電機轉(zhuǎn)速最高可達 20000r/min ，甚至可以達到30000 400O0r/min。隨著近些年來新材料的不斷涌現(xiàn)、 電力電子技術的迅猛發(fā)展、先進算法的不斷出現(xiàn)使設計和應用新型電機成為可能。 高速永磁無刷直流電動機的出現(xiàn)就是社會科學技術不斷發(fā)展的表現(xiàn)。高速永磁無刷直流電機如圖3 所示

13、。高速永磁電機與普通的電機相比具有以下一系列優(yōu)點：高速永磁電機的轉(zhuǎn)子一般比較細長，因而電機具有的轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應快的優(yōu)點；由于電機本身的轉(zhuǎn)速較高，單位體積所產(chǎn)生功率大，和功率相等轉(zhuǎn)速低的電機比體積要小很多，這樣在減輕電機重量的同時也減小了成本；高速永磁電機可以直接與負載相連，既減小了整體設備的體積，又可以避免由系統(tǒng)中附加的變速裝置引起的電機附加損耗、振動及噪聲，而且還提高了整個傳動系統(tǒng)的運行效率、運行精度和可靠性。3 高速永磁無刷直流電機4 高速無刷直流電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3 高速永磁無刷直流電機4 高速無刷直流電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1 高速永磁無刷直流電機的結(jié)構(gòu)高速永磁無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)如圖4

14、所示。高速永磁無刷直流電動機的控制系統(tǒng)包括電源、逆變器、 位置傳感器、控制器還有高速電機本體，系統(tǒng)的各個部分相關聯(lián)，使高速無刷直流電動機的控制更加的準確，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。5 高速無刷直流電動機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖35 高速無刷直流電動機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 2 高速永磁無刷直流電機的工作原理高速永磁無刷直流電動機的工作原理類似于有刷直流電動機的工作原理，接下來介紹一下有刷直流電動機的工作原理。有刷直流電動機的轉(zhuǎn)子上沒有永磁體，而是安裝在定子上的，在氣隙內(nèi)產(chǎn)生勵磁磁場，由洛倫茲定理可得，當電流在電樞導體中流動時，每根通電導體都會受到來自永磁體的洛倫茲力，它的計算公式為： TOC o 1-5

15、h z F KBLi（ 1）式中，F(xiàn)為電磁力；K為常數(shù)；B為電機的氣隙磁密；L為電樞線圈長度；i 為線圈導體電流。則整個線圈電樞繞組的洛倫茲力為：F KBLNi（ 2）式中， N為線圈串聯(lián)導體匝數(shù)。整個電機轉(zhuǎn)子所受洛倫茲力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是以轉(zhuǎn)子圓心為圓心，半徑為力臂的轉(zhuǎn)矩，它的計算公式為：T KRBLNi（ 3）式中， R為線圈到轉(zhuǎn)子圓心的距離。永磁有刷直流機的電樞繞組是由多個線圈組成的，相鄰線圈位移角的大小由線圈纏繞的方式?jīng)Q定。在電機旋轉(zhuǎn)過程中，同一磁極下，雖然線圈導體在不斷的更替， 但是在外加電壓極性不變的情況下，在此磁極下導體的電流始終保持同一方向， 這是由有刷電機中電刷與換向器的換向功

16、能所決定的。這樣， 電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的方向也不變，使電機能夠持續(xù)的運轉(zhuǎn)，這就是有刷直流電機的工作原理。無刷直流電機和有刷直流電機的運行原理類似，無刷直流電機電樞繞組在定子上，通過控制器使通入的直流電轉(zhuǎn)換為多相的方波交流電，定子磁場以n=60f/p 的速度旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子通過永磁體勵磁，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生磁通與定子繞組磁通交鏈成轉(zhuǎn)矩，并隨著定子磁場同步速旋轉(zhuǎn)。其設計重點為將電機氣隙磁場波形設計為正弦波。無刷直流電動機沒有電刷，所以不會存在電刷損壞等問題，并且其繞組是在定子上，通過機殼往外散出熱量，相對有刷直流電機散熱較好，并且體積較小。具有高效率，高調(diào)速范圍等優(yōu)點。4 高速電機的發(fā)展現(xiàn)狀與應用前景1 國內(nèi)

17、研究現(xiàn)狀永磁電機有著很多其他普通電機無法比擬的優(yōu)點，如今已成為電機行業(yè)研究的熱點， 國內(nèi)對高速電機的研究還處于初級階段，但是隨著國家對永磁電機研發(fā)投入大量的人力和物力，高速電機的研發(fā)也迅猛的發(fā)展起來。國內(nèi)某研究機構(gòu)針對高速永磁電機關鍵部分的技術進行了深入的研究，指出永磁電機的溫升、轉(zhuǎn)子機械強度、永磁體的保護問題和磁懸浮軸承問題是高速電機所要解決的關鍵問題。作者使用風冷技術對電機散熱，同時還指出為了合理分配電機的損耗盡量要增加定子上的損耗，有利于高速電機的散熱，避免轉(zhuǎn)子損耗過大。這樣的觀點對高速永磁電機的設計具有非常重要的指導意義。國內(nèi)某研究機構(gòu)指出，在高速永磁電機研究的諸多問題中，轉(zhuǎn)子永磁體的

18、保護問題也是主要解決的問題之一。目前國內(nèi)采取保護轉(zhuǎn)子永磁體的方法主要有兩種：一是在轉(zhuǎn)子上加一層碳纖維，但是碳纖維的導熱性能差不利于轉(zhuǎn)子散熱；二是在轉(zhuǎn)子永磁體外施加一層不銹鋼護套，不銹鋼的導熱性能非常的好，有利于轉(zhuǎn)子的散熱，但是不銹鋼的導磁性能不是很好。此外， 國內(nèi)某研究機構(gòu)把轉(zhuǎn)子永磁體嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，采用此結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，由于高速永磁電機的頻率較高，所以在轉(zhuǎn)子表面很容易產(chǎn)生比較大的渦流損耗，這個時候的永磁體在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，不容易散熱，所以當溫度高到一定程度的時候，轉(zhuǎn)子永磁體很容易產(chǎn)生不可逆的永磁體退磁，使電機不能工作。此外， 我國的哈爾濱工業(yè)大學等一些科研院校，北京微電機廠、無錫機床廠等企業(yè)單位在高速電

19、機的研制方面已取得了重大的成就。2 國外研究現(xiàn)狀高速永磁電機的研究目前已成為世界整個電機領域研究的熱門，主要是因為高速電機本身特有的優(yōu)點，例如單位體積產(chǎn)生的功率大、電機本體的體積比較小、轉(zhuǎn)速高，同時可控性非常強。20世紀以來，隨著軍事和民用對高速電機的需求量越來越大，歐美發(fā)達國家憑借本身先進的科學技術，對高速電機的研究投入了大量的財力，使高速永磁電機的發(fā)展非常的迅猛。德克薩斯州立大學機械電子中心研發(fā)設計的用于先進機車推進系統(tǒng)的3 MW高速同步發(fā)電機和高速感應飛輪電機己經(jīng)成功應用于新一代的高速鐵路系統(tǒng)；美國麻省理工學院的電磁和電子系統(tǒng)實驗室設計成功了5MW高速感應發(fā)電機；英國Turbo Gens

20、et 公司推出的1.2MW高速永磁發(fā)電機為核心的新型移動電站占領了新型移動電站的領域；美國Calnetix 公司開發(fā)的艦用2MW高速永磁發(fā)電機，轉(zhuǎn)速范圍為19000 22500r/min ，并且成功的應用到航空母艦上；瑞士成功研制了功率為100W轉(zhuǎn)速達到500O00r/min的高速永磁發(fā)電機，它主要是由燃氣輪機驅(qū)動，可以作為便攜式的發(fā)電設備。瑞典斯德哥爾摩皇家技術學院研制出高速熱發(fā)電機，功率為110kw，轉(zhuǎn)速為70000r/min 。其中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖6所示。英國燃氣發(fā)電設備有限公司設計出一種高速永磁發(fā)電機，電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子采用一個或多個同軸的圓盤，其轉(zhuǎn)子永磁體的充磁方向是軸向的；電機的定子也同樣由

21、一個或多個圓盤構(gòu)成。這種電機的結(jié)構(gòu)非常堅固，但是設計難度非常大，不能夠廣泛的使用。歐美發(fā)達國家還設計出20kw、 轉(zhuǎn)速為 47O00r/min大功率的高速永磁電動機用于冷凍和空氣循環(huán)系統(tǒng)的動力設備。Cape Town大學設計出了飛輪儲能系統(tǒng)的高速永磁發(fā)電機。6 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖7 美國 6 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖7 美國 Allied 一 signal 公司研制的高速永磁渦輪發(fā)電機美國俄亥俄州州立大學設計的40kw、 60000r/min 的高速永磁電動機，在弱磁情況下，轉(zhuǎn)速可以高達100000r/min 。國外某研究機構(gòu)的設計者已經(jīng)將永磁無刷電機的轉(zhuǎn)速設計到100000r/min 以上。瑞典皇家理工學院設計的110kw、100000r/min 高速永磁電機是用無位置傳感器控制的。美國Allied 一 signal 公司設計的高速永磁渦輪發(fā)電機如圖7所示。 3 高速電機的發(fā)展前景由于高速電機具有轉(zhuǎn)速高、電機尺寸小、功率密度大、效率高等顯著優(yōu)點，所以在以下各方面具有廣闊的應用前景。（ 1）高速永磁電動機已經(jīng)在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機、儲能飛輪、