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高速電機具有體積小、功率密度大、可與高速負(fù)載直接相連、省去傳統(tǒng)的機械增速裝置、減小系統(tǒng)噪音和提高系統(tǒng)傳動效率等特點，在高速磨床、空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、儲能飛輪、燃料電池、天然氣輸送高速離心壓縮機以及作為飛機或艦載供電設(shè)備的分布式發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已成為國際電工領(lǐng)域的研究熱點之一。
高速電機的主要特點是轉(zhuǎn)子速度高、定子繞組電流和鐵心中磁通頻率高、功率密度和損耗密度大。這些特點決定了高速電機具有不同于常速電機特有的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計方法。
高速電機的轉(zhuǎn)子速度通常高于10 000 r/min，在高速旋轉(zhuǎn)時，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受巨大的離心力，需要采用特殊的高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；對于永磁電機來說，轉(zhuǎn)子強度問題更為突出，因為燒結(jié)而成的永磁材料不能承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，必須對永磁體采取保護措施；轉(zhuǎn)子與氣隙高速摩擦，在轉(zhuǎn)子表面造成的摩擦損耗遠(yuǎn)大于常速電機，給轉(zhuǎn)子散熱帶來很大困難；為了保證轉(zhuǎn)子有足夠的強度，高速電機轉(zhuǎn)子多為細(xì)長型，因此與常速電機相比，高速電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)接近臨界轉(zhuǎn)速的可能性大大增加，為了避免發(fā)生彎曲共振，必須準(zhǔn)確預(yù)測轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)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(tǒng)。
高速電機繞組電流和鐵心中磁通交變頻率很高，會在電機繞組、定子鐵心以及轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生較大的高頻附加損耗。定子電流頻率較低時，通常可以忽略趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)對繞組損耗的影響，但在高頻情況下，定子繞組會產(chǎn)生明顯的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，增大繞組附加損耗；高速電機定子鐵心中磁通頻率高，趨膚效應(yīng)的影響不能忽略，常規(guī)的計算方法會帶來較大誤差，為了準(zhǔn)確計算高速電機的定子鐵心損耗，需要探索高頻工況下的鐵耗計算模型；定子開槽與繞組非正弦分布引起的空間諧波以及PWM供電產(chǎn)生的電流時間諧波均會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生較大的渦流損耗，由于轉(zhuǎn)子體積小、散熱條件差，會給轉(zhuǎn)子散熱帶來極大困難，因此轉(zhuǎn)子渦流損耗的準(zhǔn)確計算以及探索有效降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的措施，對高速電機可靠運行具有重要意義；同時，高頻電壓或電流也給大功率高速電機的控制器設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。
高速電機的體積遠(yuǎn)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(zhuǎn)子溫升過高的情況下，永磁體易發(fā)生不可逆退磁。設(shè)計良好的冷卻系統(tǒng)，能有效降低定轉(zhuǎn)子溫升，是大功率高速電機長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。
綜上所述，高速電機在轉(zhuǎn)子強度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)、電磁設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)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(guī)電機所不具有的特殊關(guān)鍵問題，因此高速電機的設(shè)計是一個集電磁場-轉(zhuǎn)子強度-轉(zhuǎn)子動力學(xué)-流體場與溫度場等多物理場多次迭代的綜合設(shè)計過程。目前應(yīng)用于高速領(lǐng)域的電機類型主要有感應(yīng)電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機以及爪極電機，每種電機類型又有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
本文對國內(nèi)外不同類型高速電機的發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析，總結(jié)了現(xiàn)有不同類型高速電機的極限指標(biāo)；詳細(xì)分析了高速電機結(jié)構(gòu)與設(shè)計特點，包括定子設(shè)計、不同類型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)分析與軸承選取以及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計等，最后分析了高速電機發(fā)展所面臨的主要問題，展望了高速電機的發(fā)展趨勢與前景。
1 高速電機的發(fā)展現(xiàn)狀
高速電機通常指轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min或難度值(轉(zhuǎn)速和功率平方根的乘積)超過1×105的電機，現(xiàn)有的各類電機中，成功實現(xiàn)高速化的主要有感應(yīng)電機、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機、開關(guān)磁阻電機以及少數(shù)外轉(zhuǎn)子永磁電機和爪極電機等。為了分析各類型高速電機的特點，在文獻[17]的基礎(chǔ)上，本文對國內(nèi)外各類型高速電機的發(fā)展現(xiàn)狀進行了進一步的總結(jié)和擴展，并按照難度值進行了排列。
1.1 高速感應(yīng)電機
感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)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(yīng)電機在高速領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。表1給出了國內(nèi)外高速感應(yīng)電機的發(fā)展現(xiàn)狀。國內(nèi)外最大功率的高速感應(yīng)電機為15 MW，轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，為ABB公司2002年研制，采用實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；高速感應(yīng)電機最大速度為180 000 r/min，功率為10 kW，采用磁懸浮軸承，實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，線速度為219 m/s，電機的效率約為85%。國內(nèi)對高速感應(yīng)電機的研究相對滯后，其中重慶德馬電機研制了一系列高速感應(yīng)電機，海軍工程大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及浙江大學(xué)等針對高速感應(yīng)電機開展了許多研究工作，海軍工程大學(xué)對2.5 MW高速感應(yīng)電機開展了研究，重慶德馬電機研制了100 kW、25 000 r/min高速感應(yīng)電機，國內(nèi)高速感應(yīng)電機的發(fā)展水平遠(yuǎn)低于國外。
從表1可看出，采用實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高速感應(yīng)電機最大難度值高達24.49×105，轉(zhuǎn)子表面線速度可達367 m/s，而采用常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高速感應(yīng)電機最大難度值僅為3×105，轉(zhuǎn)子表面線速度最高為185 m/s；在難度值大于3×105或轉(zhuǎn)子表面線速度大于185 m/s的高速感應(yīng)電機多采用實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或高強度疊片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文獻[24]介紹的一臺2 000 kW、15 000 r/min、轉(zhuǎn)子表面線速度為290 m/s的高速感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子采用了AISI4130合金鋼鑄成的高強度疊片結(jié)構(gòu)，文獻[36]介紹的一臺5 kW、92 500 r/min、轉(zhuǎn)子表面線速度為240 m/s的高速感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子也采用了高強度合金鑄成的疊片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
1.2 內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機
永磁電機具有效率和功率因數(shù)高及轉(zhuǎn)速范圍大等優(yōu)點，因此其在高速應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞。相對于外永磁轉(zhuǎn)子電機，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機具有轉(zhuǎn)子半徑小及可靠性強的優(yōu)點，成為高速電機的首選。
內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機的發(fā)展現(xiàn)狀如表2所示?？梢钥闯觯瑑?nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機的最大功率已達8 MW，轉(zhuǎn)速15 000 r/min，為面貼式永磁轉(zhuǎn)子，采用碳纖維保護套捆扎；最高轉(zhuǎn)速的永磁電機為500 000 r/min，功率為1 kW，轉(zhuǎn)子表面線速度為261 m/s，采用合金保護套。國內(nèi)對高速永磁電機的研究主要集中在浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天電機、東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、江蘇大學(xué)、北京交通大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、南車株洲電機有限公司等，他們對高速永磁電機有面貼式(SPM)和內(nèi)置式(IPM)兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。從表2可看出，除少數(shù)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外，其余多采用面貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文獻[89]對一臺11 kW、50 000 r/min的高速永磁電機設(shè)計了內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該電機轉(zhuǎn)子表面線速度為233 m/s，轉(zhuǎn)子采用高強度疊片材料。采用常規(guī)疊片材料的高速內(nèi)置式永磁電機，最大難度值為1.13×105，最大轉(zhuǎn)子表面線速度為135 m/s。
表1 高速感應(yīng)電機的發(fā)展
Tab.1 Development of high speed induction machine
注：*表示國內(nèi)高速電機的發(fā)展?fàn)顩r。
表2 內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機的發(fā)展
Tab.2 Development of high permanent magnet machine
with inner rotor
續(xù)表2
注：*表示國內(nèi)高速電機的發(fā)展?fàn)顩r。
表貼式永磁轉(zhuǎn)子主要有兩種保護措施，一種是采用碳纖維捆扎，一種是采用合金護套。從表2可看出，采用合金護套時，高速電機的最大難度值為6.49×105，最大功率為135 kW，最大轉(zhuǎn)子表面線速度為294 m/s。而采用碳纖維捆扎的高速電機最大功率高達8 000 kW，最大表面線速度為314 m/s。
1.3 高速開關(guān)磁阻電機
開關(guān)磁阻電機以結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉以及耐高溫等優(yōu)點而備受矚目，在高速領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，國內(nèi)外高速開關(guān)磁阻電機的發(fā)展現(xiàn)狀如表3所示。高速開關(guān)磁阻電機目前可達的最大難度值為3.51×105，最大功率為250 kW(轉(zhuǎn)速22 000 r/min)，最高轉(zhuǎn)速為200 000 r/min(功率1 kW)。南京航空航天大學(xué)、北京交通大學(xué)、湖南工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等對高速開關(guān)磁阻電機開展了相關(guān)研究工作，其中南京航空航天大學(xué)研制了1 kW、130 000 r/min的開關(guān)磁阻電機。
表3 高速開關(guān)磁阻電機的發(fā)展
Tab.3 Development of high speed switched reluctance machine
注：*表示國內(nèi)高速電機的發(fā)展?fàn)顩r。
1.4 其他類型高速電機
高速電機除上述3種類型的電機外，還有少數(shù)外轉(zhuǎn)子永磁電機與爪極電機。本文對國內(nèi)外其他類型的高速電機進行的不完全統(tǒng)計如表4所示。外轉(zhuǎn)子高速永磁電機最高難度值為3.17×105(28 kW、60 000 r/min)，最大功率為100 kW，最高轉(zhuǎn)速為60 000 r/min。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)、浙江大學(xué)針對外轉(zhuǎn)子高速永磁電機開展了相關(guān)的研究工作，沈陽工業(yè)大學(xué)對雙定子單轉(zhuǎn)子軸向磁通電機和外轉(zhuǎn)子爪極高速電機進行了一定研究。
表4 其他類型高速電機的發(fā)展
Tab.4 Development of other types high speed machines
注：*表示國內(nèi)高速電機的發(fā)展?fàn)顩r。
1.5 不同類型高速電機的比較分析
基于國內(nèi)外高速電機的發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)文獻，本文在文獻[17]的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有不同類型和結(jié)構(gòu)高速電機的極限指標(biāo)進行了統(tǒng)計，如表5所示。實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機可達到的難度值和轉(zhuǎn)子表面線速度最大，采用碳纖維保護措施的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機次之。這兩種結(jié)構(gòu)高速電機的難度值均超過了10×105、轉(zhuǎn)子表面線速度超過了300 m/s。兆瓦級以上的高速電機類型多為實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機和碳纖維保護措施的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機，也有少數(shù)高強度疊片感應(yīng)電機。高強度疊片感應(yīng)電機的最大難度值和轉(zhuǎn)子表面線速度與采用合金護套的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機接近，分別為6.5×105和290 m/s，但采用合金護套的內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機目前達到的最大功率僅為135 kW，因為合金護套中會產(chǎn)生大量的渦流損耗，不宜用于較大功率的高速永磁電機。高速開關(guān)磁阻電機、常規(guī)疊片高速感應(yīng)電機、外轉(zhuǎn)子高速永磁電機的最大難度值相近，約為3×105～3.5×105，目前階段的最大功率均在300 kW以下，最大轉(zhuǎn)子表面線速度在185～210 m/s之間。內(nèi)置式高速永磁電機的最大難度值低于1.2×105，高強度疊片內(nèi)置式永磁電機的最大表面線速度可達233 m/s，但采用常規(guī)疊片時僅為135 m/s。爪極電機所能承受的難度值最低，小于1×105。
表5 現(xiàn)有不同類型高速電機的極限指標(biāo)
Tab.5 Summary of high-speed machine limits
從以上分析可知，感應(yīng)電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機是高速電機最常用的3種類型。文獻[134]基于20 kW、26 000 r/min的高速電機，對采用3種不同類型轉(zhuǎn)子的電機性能進行了對比，得到永磁電機的效率和功率密度最高，開關(guān)磁阻電機的效率居中、功率密度最低。表6對3種轉(zhuǎn)子類型高速電機的優(yōu)缺點進行了比較。雖然永磁電機具有較高的效率與功率密度，但永磁體抗拉強度低、抗高溫特性較差，需要特殊的保護措施和良好的散熱條件，加工較復(fù)雜。
表6 不同類型高速電機的對比
Tab.6 Comparisons of different types high speed machine
2 定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計
2.1 極數(shù)
高速電機一般設(shè)計為2極或4極。對于2極電機，永磁體可采用整體結(jié)構(gòu)，定子電流和鐵心中磁場的交變頻率較低，有利于降低高頻附加損耗，但2極電機的定子繞組端部較長、鐵心軛部較厚。4極電機與2極電機相反，定子繞組端部較短，鐵心軛部較薄，但定子繞組電流和鐵心中磁場的交變頻率較高。
2.2 槽數(shù)
槽數(shù)有多槽、少槽和無槽3種方案可選擇。無槽方案不產(chǎn)生高頻齒諧波磁場，對減小轉(zhuǎn)子渦流損耗十分有利，但氣隙較大，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通密度小，永磁材料利用率低。少槽方案氣隙磁通密度諧波幅值大，轉(zhuǎn)子渦流損耗大，這對于高速電機來說是不可取的。多槽方案既可獲得較高的氣隙磁通密度，提高材料利用率，又不會產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)子渦流損耗。
2.3 鐵心材料
高速電機頻率高，高頻下的定子鐵心將產(chǎn)生較大的鐵耗，通過合理選取定子鐵心材料，可有效降低定子損耗，提高電機的電磁性能。圖2為不同定子材料單位重量鐵耗隨頻率的變化曲線。其中，B20AT1500、B27AH1500、B35AH300分別為0.2 mm、0.27 mm和0.35 mm的硅鋼片材料，Vacoflux50為0.2 mm的鈷鋼片，Somaloy700為軟磁復(fù)合(SMC)材料，Metglas2605SA1為非晶合金材料。從圖2可看出，非晶合金材料的單位鐵耗遠(yuǎn)小于其他材料，但該種材料的飽和磁感應(yīng)強度較低(為1.2～1.3 T)，適用于鐵心磁通密度較低的高速電機。當(dāng)電機的工作頻率低于1 000 Hz時，SMC材料單位鐵耗值高于普通硅鋼片，當(dāng)工作頻率高于2 000 Hz時，SMC材料才能有效減小高速電機的鐵心損耗。單位鈷鋼片的損耗值小于硅鋼片，但鈷鋼片的抗拉強度較小，約為硅鋼片的一半。
圖2 不同定子鐵心材料的損耗曲線
Fig.2 Losses of different core materials
2.4 定子繞組
傳統(tǒng)定子繞組端部較長，增加了轉(zhuǎn)子的軸向長度，從而降低了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度。環(huán)型繞組結(jié)構(gòu)可有效縮短定子繞組端部長度，其不利之處是線圈嵌線工藝較復(fù)雜。
高速電機頻率較高，會在定子繞組的導(dǎo)體中產(chǎn)生較大的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，從而造成附加損耗，為了降低定子繞組中的損耗，定子繞組須采用許多根較小直徑的細(xì)導(dǎo)線并聯(lián)繞制，繞組的導(dǎo)體半徑r一般要小于磁場在導(dǎo)體中的透入深度，即為
式中，μ為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；σ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率；ω為交變磁場角頻率。
文獻[11]對圓銅線繞組的交直流損耗進行了分析，當(dāng)電機頻率在1 kHz以下時，定子繞組的交、直流損耗比約為1，可忽略趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響；文獻[49]對一臺5 MW、6.3 kV的高速永磁電機采用了扁銅線繞組結(jié)構(gòu)，并對定子繞組損耗進行了分析，分析結(jié)果顯示，當(dāng)頻率為400 Hz時，定子繞組的交流損耗約為直流損耗的3倍，因此扁銅線繞組的交、直流損耗比受頻率影響非常明顯，在進行高頻銅耗計算時，必須考慮趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響。
3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計
3.1 籠型轉(zhuǎn)子
3.1.1 轉(zhuǎn)子槽型
高速疊片式籠型轉(zhuǎn)子通常采用閉口槽，閉口槽類型主要有圓形槽、水滴槽、平行槽3種，如圖3所示。圓形槽的優(yōu)勢為對轉(zhuǎn)子鐵心上應(yīng)力的分布影響較小，可保證轉(zhuǎn)子具有較高的機械強度，工藝簡單、成本低，而缺點為轉(zhuǎn)子齒磁通密度易產(chǎn)生局部過大，導(dǎo)條電流密度過高，轉(zhuǎn)子銅耗較大。水滴槽和平行槽是在圓形槽之上改良的，可有效減小轉(zhuǎn)子齒磁通密度，同時增大了導(dǎo)條面積，減小了導(dǎo)條上的電流密度，具有較小的轉(zhuǎn)子銅耗，但機械強度低于圓形槽。
圖3 轉(zhuǎn)子槽型
Fig.3 Rotor slot structures
3.1.2 轉(zhuǎn)子銅條材料
純銅在溫度較高的情況下會發(fā)生軟化現(xiàn)象，因此在高速感應(yīng)電機的設(shè)計中，主要采用銅合金作為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料。表7列出了幾種常用的銅合金材料屬性，在選擇導(dǎo)條材料時，要綜合考慮機械強度和轉(zhuǎn)子銅耗，在保證機械強度的情況下，應(yīng)選擇電導(dǎo)率較大的銅合金。
表7 不同導(dǎo)體材料屬性
Tab.7 Properties of different conductor materials
3.1.3 端環(huán)的保護
感應(yīng)電機的端環(huán)與銅條是焊接而成的，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時，焊接處易發(fā)生損壞，因此必須對端環(huán)進行保護，目前最常用的保護措施是用鉚釘將端環(huán)與轉(zhuǎn)子鐵心固定在一起以增加轉(zhuǎn)子整體的機械強度，如圖4所示。
圖4 轉(zhuǎn)子端環(huán)保護
Fig.4 Rotor end ring protection
3.2 實心轉(zhuǎn)子
實心轉(zhuǎn)子高速感應(yīng)電機有如圖5所示的4種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文獻基于一臺75 kW、60 000 r/min的高速感應(yīng)電機，對4種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和損耗進行了比較分析，如圖6所示?？梢钥闯觯瑢嵭匿撧D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和銅屏蔽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子強度較好，開槽實心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但實心鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子渦流損耗最大，開槽實心轉(zhuǎn)子次之；銅屏蔽轉(zhuǎn)子和籠型實心轉(zhuǎn)子因為在轉(zhuǎn)子材料中有銅導(dǎo)體，這些銅導(dǎo)體為電流提供了通路，能夠減小一部分渦流，所以這兩種轉(zhuǎn)子的損耗比另外兩種轉(zhuǎn)子損耗低。
圖5 實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
Fig.5 Solid rotor structures
圖6 不同實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和轉(zhuǎn)子渦流損耗比較
Fig.6 Comparisons of stress and rotor eddy current loss?
with different solid rotor structures
3.3 永磁轉(zhuǎn)子
3.3.1 永磁材料
常用的永磁體材料主要有NdFeB和SmCo。NdFeB材料的剩磁密度和矯頑力較大，但易受溫度影響，最大可承受溫度約為220 ℃，抗拉強度約為80～140 MPa，SmCo材料的剩磁密度較小，受溫度影響較小，可承受的溫度高達350 ℃，但抗拉強度小，約為25～35 MPa，使用SmCo永磁材料時會增加保護套厚度和等效氣隙長度。
3.3.2 內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子
為了改善傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在高速運行時易在隔磁橋處應(yīng)力過大的問題，內(nèi)置式高速永磁轉(zhuǎn)子多采用永磁體分段，并在永磁體段間設(shè)置加強筋的結(jié)構(gòu)。圖7列舉了幾種常用的內(nèi)置式高速永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖7a為一字形永磁體分段結(jié)構(gòu)，該種分段結(jié)構(gòu)也可采用V形和W形等結(jié)構(gòu)型式。文獻[95]在8 kW、40 000 r/min的高速永磁電機中采用了2極結(jié)構(gòu)，分析了永磁體層數(shù)及每層加強筋數(shù)量等對電磁特性和轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響，永磁體層數(shù)對轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響很小，可忽略不計，最終樣機采用了圖7d所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)具有較小的漏磁系數(shù)。文獻[5]介紹了一種新型切向式高速永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖7e所示，C形硅鋼片掛在高強度的不導(dǎo)磁軸上，永磁體為不等厚結(jié)構(gòu)，靠近轉(zhuǎn)軸處較厚，沿半徑方向逐漸減小，這種結(jié)構(gòu)即可降低硅鋼片應(yīng)力，又擁有較小的漏磁系數(shù)。
圖7 內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
Fig.7 Interior permanent magnet rotor structures
3.3.3 表貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其保護措施
表貼式高速永磁電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖8a為實心永磁體結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為2極，永磁體采用平行充磁的方式。查閱到的相關(guān)文獻中介紹的75 kW、60 000 r/min，150 kW、24 000 r/min，0.5 kW、400 000 r/min和0.1 kW、500 000 r/min的高速永磁電機均采用了該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖8b為2極環(huán)形永磁體結(jié)構(gòu)，采用了平行充磁方式和永磁體不分塊技術(shù)，該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)即為2極Halbach結(jié)構(gòu)，加工較簡單，多用于轉(zhuǎn)子外徑較小的高速永磁電機，2.3 kW、150 000 r/min和10 kW、70 000 r/min等高速電機均采用了該種結(jié)構(gòu)。圖8c為面包式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度更接近正弦波，諧波較小，但所需永磁體較厚，文獻[52，53]分別介紹的1.5 MW、20 000 r/min和120 kW、70 000 r/min的高速永磁電機均采用該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖8d為永磁體分段轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，極間間隙可由高溫塑料、環(huán)氧樹脂、碳纖維、合金等材料填充，從而降低保護套在極間間隙處的彎曲應(yīng)力，提高轉(zhuǎn)子可靠性，該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為高速永磁電機最常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。為了降低轉(zhuǎn)子渦流損耗，Halbach充磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)越來越多的在高速電機中應(yīng)用，圖8e給出了3種Halbach充磁結(jié)構(gòu)，30 kW、20 000 r/min和640 kW、10 000 r/min的高速永磁電機均采用了該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
圖8 表貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
Fig.8 Surface permanent magnet rotor structures
對于表貼式永磁轉(zhuǎn)子，必須對永磁體采取保護措施：一種保護方法是在永磁體外面用高強度非導(dǎo)磁護套(如Inconel718、鈦合金等)，另一種保護方法是采用碳纖維等高強度纖維捆扎。兩種材料的特性如表8所示?？紤]溫度和彎曲應(yīng)力時碳纖維護套的最大可承受應(yīng)力約為1 400～1 700 MPa，大于合金鋼護套最大抗拉強度，但合金護套可承受的最大溫度(290 ℃)遠(yuǎn)高于碳纖維護套(180 ℃)。合金鋼材料的電導(dǎo)率較高，電機空間諧波和時間諧波會在合金保護套中產(chǎn)生較大的渦流損耗。采用碳纖維捆扎時保護套厚度和高頻渦流損耗較小，但碳纖維是熱的不良導(dǎo)體，不利于永磁轉(zhuǎn)子的散熱。文獻[138]介紹的在合金保護套內(nèi)層加入銅屏蔽層可有效抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗，但對碳纖維保護措施抑制效果并不明顯。文獻[82]在合金保護套上開設(shè)軸向和周向淺槽來降低轉(zhuǎn)子渦流損耗，周向淺槽結(jié)構(gòu)如圖9所示。
表8 不同保護套材料屬性
Tab.8 Properties of different sleeve materials
圖9 合金護套周向開槽結(jié)構(gòu)
Fig.9 Circumferential grooves on alloy retaining sleeve
針對高速永磁電機，文獻[139]提出了一種半導(dǎo)磁的合金保護套，相對磁導(dǎo)率為7.2，與非導(dǎo)磁合金保護套相比，采用半導(dǎo)磁保護套可明顯改善電機的空載反電動勢波形。文獻[140]介紹了一臺75 kW、60 000 r/min的高速永磁電機，該文從電磁特性、轉(zhuǎn)子應(yīng)力、轉(zhuǎn)子溫度等方面綜合比較了碳纖維保護套、非導(dǎo)磁合金護套以及半導(dǎo)磁合金護套的性能。采用碳纖維護套所需保護套厚度、轉(zhuǎn)子損耗、轉(zhuǎn)子溫度均最小，采用半導(dǎo)磁合金護套所需永磁體厚度最小，保護套厚度小于非導(dǎo)磁合金護套，但轉(zhuǎn)子渦流損耗遠(yuǎn)大于非導(dǎo)磁合金護套和碳纖維保護套。
文獻[141]對一臺1 120 kW、18 000 r/min的高速永磁電機設(shè)計了兩種保護措施：一種采用純碳纖維保護措施，一種采用合金鋼和碳纖維共同組成的混合保護措施，如圖10所示。其中純碳纖維保護套與永磁體采用過盈配合，混合保護措施與永磁體采用間隙配合，間隙處填充高強度粘合劑，混合保護措施可降低純碳纖維保護套的彎曲應(yīng)力。實驗表明采用上述保護措施的兩種轉(zhuǎn)子樣機均能在22 000 r/min安全運行。
圖10 1 120 kW、18 000 r/min高速永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
Fig.10 Rotors of 1 120 kW、18 000 r/min?
high speed permanent magnet machine
文獻[71，142]中介紹的轉(zhuǎn)速分別為200 000 r/min和60 000 r/min的兩臺高速永磁電機，在碳纖維保護套內(nèi)層均纏繞了一層較薄的玻璃絲纖維，目的在于有效抑制在永磁體彎曲處和永磁體分塊對碳纖維護套造成的彎曲應(yīng)力，提高保護套可靠性。
4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)設(shè)計與軸承設(shè)計
4.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)設(shè)計
轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計是高速旋轉(zhuǎn)機械設(shè)計的重要內(nèi)容，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心和回轉(zhuǎn)中心總會有一定的偏差，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生周期性的離心干擾力，使得轉(zhuǎn)子的偏心進一步增加，轉(zhuǎn)子振動的幅度進一步增大，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速接近時，轉(zhuǎn)子將會發(fā)生劇烈的彎曲振動，引起整個機組振動，嚴(yán)重時甚至使得轉(zhuǎn)子遭到破壞。對于剛性轉(zhuǎn)子，工作轉(zhuǎn)速n應(yīng)低于一階臨界轉(zhuǎn)速nc1，即n<0.7nc1；對于撓性轉(zhuǎn)子，應(yīng)使工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速nc1和二階臨界轉(zhuǎn)速nc 2之間，即1.4nc1
4.2 軸承設(shè)計
高速電機的安全穩(wěn)定運行與軸承可靠性密不可分。目前在高速電機中應(yīng)用的軸承主要有滾珠軸承、充油軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承。文獻[1，5]對上述軸承的特點進行了對比分析。文獻[135]對目前高速電機所采用的軸承類型進行了統(tǒng)計，如圖11所示?？梢钥闯?，高速電機多采用磁懸浮軸承和滾球軸承，其中磁懸浮軸承可實現(xiàn)主動控制，可在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)軸系的動態(tài)性能，完全無接觸，不需要潤滑，使用壽命長，這些優(yōu)點使磁懸浮軸承在高速電機領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)對高速電機軸承也開展了許多研究工作。西安交通大學(xué)、南京航空航天電機、沈陽工業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等對所研制的高速電機采用了磁懸浮軸承，浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等對陶瓷球軸承在高速電機中的應(yīng)用也進行了一定的研究，北京航空航天大學(xué)對高速電機的空氣軸承進行了研究，沈陽工業(yè)大學(xué)在兆瓦級高速永磁電機樣機中采用了充油軸承和磁懸浮軸承，其中充油軸承在額定運行時發(fā)生漏油問題，而磁懸浮軸承能安全穩(wěn)定運行。
圖11 高速電機軸承分布
5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計
高速電機的功率密度和損耗密度較大，設(shè)計良好的冷卻系統(tǒng)、降低電機溫升是高速電機設(shè)計的又一關(guān)鍵技術(shù)。文獻[60]對一臺150 kW、16 000 r/min的高速永磁電機的轉(zhuǎn)子自散冷技術(shù)進行了設(shè)計與分析；文獻[42，54]分別在10 kW、30 000 r/min和110 kW、70 000 r/min的高速永磁電機中采用了機殼水冷的冷卻結(jié)構(gòu)。文獻[145]對制冷機用高速永磁電機設(shè)計了內(nèi)外風(fēng)冷的冷卻結(jié)構(gòu)，如圖12所示，其中外風(fēng)道開設(shè)在機殼上，內(nèi)風(fēng)道開設(shè)在定子槽內(nèi)，該種冷卻結(jié)構(gòu)借助制冷機產(chǎn)生的冷卻介質(zhì)，從機殼一側(cè)的入口進入外風(fēng)道，帶走定子熱量后，進入內(nèi)風(fēng)道，從機殼另一側(cè)的出口流出。
圖12 制冷機用高速電機冷卻結(jié)構(gòu)
文獻[59]對一臺30 kW、96 000 r/min的高速永磁電機設(shè)計了如圖13所示的冷卻結(jié)構(gòu)，該冷卻結(jié)構(gòu)采用空氣冷卻，在定子槽內(nèi)開設(shè)內(nèi)風(fēng)道，在電機機殼外側(cè)設(shè)置有外風(fēng)道，冷卻空氣從電機一端進入，從另一端流出。
圖13 30 kW、96 000 r/min高速電機冷卻結(jié)構(gòu)
對于環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)，可在環(huán)形繞組的內(nèi)外槽中開設(shè)冷卻通道，如圖14所示，冷卻通道內(nèi)可通入空氣或油，帶走定轉(zhuǎn)子熱量，查閱到的相關(guān)文獻中介紹的75 kW、36 000 r/min，75 kW、60 000 r/min，117 kW、60 000 r/min的高速永磁電機均采用了該種冷卻結(jié)構(gòu)。
圖14 環(huán)形繞組高速電機冷卻結(jié)構(gòu)
高速永磁電機也可采用徑向和軸向混合冷卻結(jié)構(gòu)，如圖15所示。定子鐵心分為兩段，機殼上開設(shè)有冷卻通道，冷卻空氣從定子鐵心中間、定子繞組端部以及機殼外冷卻通道等多路流入，帶走電機熱量，后從電機機殼上開設(shè)的出口處流出，為了更好地降低電機溫升，機殼冷卻通道內(nèi)可通入水等冷卻介質(zhì)。
圖15 軸向與徑向混合冷卻結(jié)構(gòu)
大功率高速電機多采用槽內(nèi)風(fēng)冷與機殼水冷相結(jié)合的冷卻結(jié)構(gòu)。沈陽工業(yè)大學(xué)對一臺1 120 kW、18 000 r/min的高速永磁電機，分析了槽內(nèi)風(fēng)冷與機殼水冷相結(jié)合的3種冷卻結(jié)構(gòu)：混合通風(fēng)與螺旋水路、軸向通風(fēng)與螺旋水路以及軸向通風(fēng)與直槽水路，其中軸向通風(fēng)與螺旋水路結(jié)構(gòu)如圖16所示，混合通風(fēng)是將定子分為兩段，從定子中間進風(fēng)，經(jīng)過槽內(nèi)的軸向風(fēng)道，從機殼兩側(cè)出風(fēng)?；旌贤L(fēng)的冷卻效果好于單一軸向通風(fēng)，螺旋水路和直槽水路的冷卻效果相近。文獻[50，80]分別為2 030 kW、22 500 r/min和640 kW、10 000 r/min的高速永磁電機設(shè)計了風(fēng)冷和水冷相結(jié)合的冷卻結(jié)構(gòu)，在定子槽內(nèi)開設(shè)軸向通風(fēng)道，在定子機殼開設(shè)了中間進水和兩端出水的兩條并聯(lián)支路螺旋水路。
圖16 風(fēng)冷和水冷相結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)
6 高速電機面臨的問題及發(fā)展趨勢
經(jīng)過近年來的發(fā)展，國外對高速電機的研究已具備了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，產(chǎn)業(yè)化勢頭良好。相比于國外，國內(nèi)對高速電機的研究基礎(chǔ)還較薄弱，產(chǎn)業(yè)化水平較低，國內(nèi)對高速電機的研制多集中在中小功率和較低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，與國外尚有較大差距。綜合國內(nèi)外的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，針對兆瓦級以上的大功率高速電機和超高速高速電機的研究與應(yīng)用還較少，在高速電機的設(shè)計與分析方面仍有一些問題亟需解決，主要包括：
1)高速電機的設(shè)計是一個多物理場和多學(xué)科交叉的綜合設(shè)計過程，基于電磁場、應(yīng)力場、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、流體場與溫度場等多物理場耦合方法來分析高速電機的技術(shù)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(zhuǎn)速，充油軸承系統(tǒng)龐大且在高速旋轉(zhuǎn)時易發(fā)生漏油問題，空氣軸承承載負(fù)載能力有限，磁懸浮軸承控制復(fù)雜、價格昂貴。
3)大功率高速電機功率變換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與控制策略、實時監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)還很薄弱；大功率高速電機的轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計技術(shù)有待完善；高速電機的加工工藝復(fù)雜，距離產(chǎn)業(yè)化的要求還很遠(yuǎn)。
4)定轉(zhuǎn)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(fēng)冷和水冷相結(jié)合的冷卻方式，冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)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(fā)展，研發(fā)更高抗拉強度和更高耐溫水平的永磁材料對高速電機的發(fā)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(dǎo)熱系數(shù)較差，給高速永磁電機的轉(zhuǎn)子散熱帶來了較大困難，因此開發(fā)高導(dǎo)熱特性的纖維材料對于高速轉(zhuǎn)子的設(shè)計有重要價值。
7)常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子不能承受較大的離心力，實心轉(zhuǎn)子存在較大的渦流損耗，需要對新型高強度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)進行深入研究。
綜上所述，高速電機發(fā)展和研究方向主要有：大功率高速電機和超高速高速電機的關(guān)鍵問題研究；基于多物理場和多學(xué)科的耦合設(shè)計；定轉(zhuǎn)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(dǎo)熱系數(shù)的纖維材料等新材料的開發(fā)及應(yīng)用；高強度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)的研究；不同功率和轉(zhuǎn)速等級下高速軸承的應(yīng)用；良好散熱系統(tǒng)的設(shè)計；高速電機控制系統(tǒng)的研制；滿足產(chǎn)業(yè)化要求的轉(zhuǎn)子加工及裝配新工藝等。
編輯：黃飛
Fig.11 Bearing distributions of high speed machine
Fig.12 Cooling structure of high speed machine for?
refrigerator
Fig.13 Cooling structure of 30 kW、96 000 r/min?
high speed machine
Fig.14 Cooling structure of high speed machine?
with toroidal windings
Fig.15 Axial and radial mixing cooling structure
Fig.16 Cooling structure combined air with water
?
工商網(wǎng)監(jiān)
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