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高速電機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)與發(fā)展綜述
2019-09-14 19:17:28· 來源：EDC電驅(qū)未來
高速電機(jī)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(jī)械增速裝置、減小系統(tǒng)噪音和提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率等特點(diǎn)，在高速磨床、空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、儲(chǔ)能
高速電機(jī)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(jī)械增速裝置、減小系統(tǒng)噪音和提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率等特點(diǎn)，在高速磨床、空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、儲(chǔ)能飛輪、燃料電池、天然氣輸送高速離心壓縮機(jī)以及作為飛機(jī)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(guó)際電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
高速電機(jī)的主要特點(diǎn)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(diǎn)決定了高速電機(jī)具有不同于常速電機(jī)特有的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計(jì)方法。
高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度通常高于10 000 r/min，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(qiáng)度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；對(duì)于永磁電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度問題更為突出，因?yàn)闊Y(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(duì)永磁體采取保護(hù)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(jī)，給轉(zhuǎn)子散熱帶來很大困難；為了保證轉(zhuǎn)子有足夠的強(qiáng)度，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子多為細(xì)長(zhǎng)型，因此與常速電機(jī)相比，高速電機(jī)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(cè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速；普通電機(jī)軸承無法在高速下可靠運(yùn)行，必須采用高速軸承系統(tǒng)。
高速電機(jī)繞組電流和鐵心中磁通交變頻率很高，會(huì)在電機(jī)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(shí)，通常可以忽略趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)對(duì)繞組損耗的影響，但在高頻情況下，定子繞組會(huì)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(jī)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(jì)算方法會(huì)帶來較大誤差，為了準(zhǔn)確計(jì)算高速電機(jī)的定子鐵心損耗，需要探索高頻工況下的鐵耗計(jì)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(shí)間諧波均會(huì)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(huì)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(jì)算以及探索有效降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的措施，對(duì)高速電機(jī)可靠運(yùn)行具有重要意義；同時(shí)，高頻電壓或電流也給大功率高速電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。
高速電機(jī)的體積遠(yuǎn)小于同等功率的常速電機(jī)，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(huì)使電機(jī)溫升過高，從而縮短繞組壽命，特別對(duì)于永磁電機(jī)，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(jì)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(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
綜上所述，高速電機(jī)在轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、電磁設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與溫升計(jì)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(jī)所不具有的特殊關(guān)鍵問題，因此高速電機(jī)的設(shè)計(jì)是一個(gè)集電磁場(chǎng)-轉(zhuǎn)子強(qiáng)度-轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)-流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)多次迭代的綜合設(shè)計(jì)過程。目前應(yīng)用于高速領(lǐng)域的電機(jī)類型主要有感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)以及爪極電機(jī)，每種電機(jī)類型又有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
本文對(duì)國(guó)內(nèi)外不同類型高速電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，總結(jié)了現(xiàn)有不同類型高速電機(jī)的極限指標(biāo)；詳細(xì)分析了高速電機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)特點(diǎn)，包括定子設(shè)計(jì)、不同類型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與軸承選取以及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，最后分析了高速電機(jī)發(fā)展所面臨的主要問題，展望了高速電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)與前景。
1 高速電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
高速電機(jī)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(jī)，現(xiàn)有的各類電機(jī)中，成功實(shí)現(xiàn)高速化的主要有感應(yīng)電機(jī)、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)以及少數(shù)外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)和爪極電機(jī)等。為了分析各類型高速電機(jī)的特點(diǎn)，在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外各類型高速電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了進(jìn)一步的總結(jié)和擴(kuò)展，并按照難度值進(jìn)行了排列。
1.1 高速感應(yīng)電機(jī)
感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，并能在高溫和高速的條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，因此感應(yīng)電機(jī)在高速領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。表1給出了國(guó)內(nèi)外高速感應(yīng)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)外最大功率的高速感應(yīng)電機(jī)為15 MW，轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，為ABB公司2002年研制，采用實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；高速感應(yīng)電機(jī)最大速度為180 000 r/min，功率為10 kW，采用磁懸浮軸承，實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，線速度為219 m/s，電機(jī)的效率約為85%。國(guó)內(nèi)對(duì)高速感應(yīng)電機(jī)的研究相對(duì)滯后，其中重慶德馬電機(jī)研制了一系列高速感應(yīng)電機(jī)，海軍工程大學(xué)、沈陽(yáng)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(duì)高速感應(yīng)電機(jī)開展了許多研究工作，海軍工程大學(xué)對(duì)2.5 MW高速感應(yīng)電機(jī)開展了研究，重慶德馬電機(jī)研制了100 kW、25 000 r/min高速感應(yīng)電機(jī)，國(guó)內(nèi)高速感應(yīng)電機(jī)的發(fā)展水平遠(yuǎn)低于國(guó)外。
從表1可看出，采用實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高速感應(yīng)電機(jī)最大難度值高達(dá)24.49×105，轉(zhuǎn)子表面線速度可達(dá)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(jī)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(jī)多采用實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或高強(qiáng)度疊片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[24]介紹的一臺(tái)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(jī)轉(zhuǎn)子采用了AISI4130合金鋼鑄成的高強(qiáng)度疊片結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[36]介紹的一臺(tái)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(jī)轉(zhuǎn)子也采用了高強(qiáng)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(jī)
永磁電機(jī)具有效率和功率因數(shù)高及轉(zhuǎn)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)，因此其在高速應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞。相對(duì)于外永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)子半徑小及可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，成為高速電機(jī)的首選。
內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀如表2所示。可以看出，內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)的最大功率已達(dá)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(hù)套捆扎；最高轉(zhuǎn)速的永磁電機(jī)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(hù)套。國(guó)內(nèi)對(duì)高速永磁電機(jī)的研究主要集中在浙江大學(xué)、沈陽(yáng)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(jī)、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(jī)有限公司等，他們對(duì)高速永磁電機(jī)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(xiàn)[89]對(duì)一臺(tái)11 kW、50 000 r/min的高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)了內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該電機(jī)轉(zhuǎn)子表面線速度為233 m/s，轉(zhuǎn)子采用高強(qiáng)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(jī)，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(jī)的發(fā)展
Tab.1 Development of high speed induction machine
注：*表示國(guó)內(nèi)高速電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。
表2 內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)的發(fā)展
Tab.2 Development of high permanent magnet machine
with inner rotor
續(xù)表2
注：*表示國(guó)內(nèi)高速電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。
圖1 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研制的1 120 kW、
18 000 r/min高速永磁電機(jī)
Fig.1 1 120 kW、18 000 r/min high speed permanent magnet
machine designed by shenyang university of technology
表貼式永磁轉(zhuǎn)子主要有兩種保護(hù)措施，一種是采用碳纖維捆扎，一種是采用合金護(hù)套。從表2可看出，采用合金護(hù)套時(shí)，高速電機(jī)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(jī)最大功率高達(dá)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(jī)
開關(guān)磁阻電機(jī)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉以及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目，在高速領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，國(guó)內(nèi)外高速開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀如表3所示。高速開關(guān)磁阻電機(jī)目前可達(dá)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(duì)高速開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)。
表3 高速開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展
Tab.3 Development of high speed switched reluctance machine
注：*表示國(guó)內(nèi)高速電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。
1.4 其他類型高速電機(jī)
高速電機(jī)除上述3種類型的電機(jī)外，還有少數(shù)外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)與爪極電機(jī)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外其他類型的高速電機(jī)進(jìn)行的不完全統(tǒng)計(jì)如表4所示。外轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)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(duì)外轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)開展了相關(guān)的研究工作，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)對(duì)雙定子單轉(zhuǎn)子軸向磁通電機(jī)和外轉(zhuǎn)子爪極高速電機(jī)進(jìn)行了一定研究。
表4 其他類型高速電機(jī)的發(fā)展
Tab.4 Development of other types high speed machines
注：*表示國(guó)內(nèi)高速電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。
1.5 不同類型高速電機(jī)的比較分析
基于國(guó)內(nèi)外高速電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)文獻(xiàn)，本文在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有不同類型和結(jié)構(gòu)高速電機(jī)的極限指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表5所示。實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)可達(dá)到的難度值和轉(zhuǎn)子表面線速度最大，采用碳纖維保護(hù)措施的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)次之。這兩種結(jié)構(gòu)高速電機(jī)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(jí)以上的高速電機(jī)類型多為實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)和碳纖維保護(hù)措施的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，也有少數(shù)高強(qiáng)度疊片感應(yīng)電機(jī)。高強(qiáng)度疊片感應(yīng)電機(jī)的最大難度值和轉(zhuǎn)子表面線速度與采用合金護(hù)套的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)接近，分別為6.5×105和290 m/s，但采用合金護(hù)套的內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)目前達(dá)到的最大功率僅為135 kW，因?yàn)楹辖鹱o(hù)套中會(huì)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(jī)。高速開關(guān)磁阻電機(jī)、常規(guī)疊片高速感應(yīng)電機(jī)、外轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)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(jī)的最大難度值低于1.2×105，高強(qiáng)度疊片內(nèi)置式永磁電機(jī)的最大表面線速度可達(dá)233 m/s，但采用常規(guī)疊片時(shí)僅為135 m/s。爪極電機(jī)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(jī)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(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)是高速電機(jī)最常用的3種類型。文獻(xiàn)[134]基于20 kW、26 000 r/min的高速電機(jī)，對(duì)采用3種不同類型轉(zhuǎn)子的電機(jī)性能進(jìn)行了對(duì)比，得到永磁電機(jī)的效率和功率密度最高，開關(guān)磁阻電機(jī)的效率居中、功率密度最低。表6對(duì)3種轉(zhuǎn)子類型高速電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。雖然永磁電機(jī)具有較高的效率與功率密度，但永磁體抗拉強(qiáng)度低、抗高溫特性較差，需要特殊的保護(hù)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(jī)的對(duì)比
Tab.6 Comparisons of different types high speed machine
2 定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1 極數(shù)
高速電機(jī)一般設(shè)計(jì)為2極或4極。對(duì)于2極電機(jī)，永磁體可采用整體結(jié)構(gòu)，定子電流和鐵心中磁場(chǎng)的交變頻率較低，有利于降低高頻附加損耗，但2極電機(jī)的定子繞組端部較長(zhǎng)、鐵心軛部較厚。4極電機(jī)與2極電機(jī)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(chǎng)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(chǎng)，對(duì)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(duì)于高速電機(jī)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(huì)產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)子渦流損耗。
2.3 鐵心材料
高速電機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)。當(dāng)電機(jī)的工作頻率低于1 000 Hz時(shí)，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(shí)，SMC材料才能有效減小高速電機(jī)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(qiáng)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(zhǎng)，增加了轉(zhuǎn)子的軸向長(zhǎng)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(zhǎng)度，其不利之處是線圈嵌線工藝較復(fù)雜。
高速電機(jī)頻率較高，會(huì)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(chǎng)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(chǎng)角頻率。
文獻(xiàn)[11]對(duì)圓銅線繞組的交直流損耗進(jìn)行了分析，當(dāng)電機(jī)頻率在1 kHz以下時(shí)，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(xiàn)[49]對(duì)一臺(tái)5 MW、6.3 kV的高速永磁電機(jī)采用了扁銅線繞組結(jié)構(gòu)，并對(duì)定子繞組損耗進(jìn)行了分析，分析結(jié)果顯示，當(dāng)頻率為400 Hz時(shí)，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(jìn)行高頻銅耗計(jì)算時(shí)，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(jì)
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(shì)為對(duì)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(jī)械強(qiáng)度，工藝簡(jiǎn)單、成本低，而缺點(diǎn)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(shí)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(jī)械強(qiáng)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(huì)發(fā)生軟化現(xiàn)象，因此在高速感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)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(shí)，要綜合考慮機(jī)械強(qiáng)度和轉(zhuǎn)子銅耗，在保證機(jī)械強(qiáng)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(hù)
感應(yīng)電機(jī)的端環(huán)與銅條是焊接而成的，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，焊接處易發(fā)生損壞，因此必須對(duì)端環(huán)進(jìn)行保護(hù)，目前最常用的保護(hù)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(jī)械強(qiáng)度，如圖4所示。
圖4 轉(zhuǎn)子端環(huán)保護(hù)
Fig.4 Rotor end ring protection
3.2 實(shí)心轉(zhuǎn)子
實(shí)心轉(zhuǎn)子高速感應(yīng)電機(jī)有如圖5所示的4種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)基于一臺(tái)75 kW、60 000 r/min的高速感應(yīng)電機(jī)，對(duì)4種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和損耗進(jìn)行了比較分析，如圖6所示?？梢钥闯觯瑢?shí)心鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和銅屏蔽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度較好，開槽實(shí)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(shí)心鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子渦流損耗最大，開槽實(shí)心轉(zhuǎn)子次之；銅屏蔽轉(zhuǎn)子和籠型實(shí)心轉(zhuǎn)子因?yàn)樵谵D(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(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
Fig.5 Solid rotor structures
圖6 不同實(shí)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(qiáng)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(dá)350 ℃，但抗拉強(qiáng)度小，約為25～35 MPa，使用SmCo永磁材料時(shí)會(huì)增加保護(hù)套厚度和等效氣隙長(zhǎng)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(yùn)行時(shí)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(qiáng)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(xiàn)[95]在8 kW、40 000 r/min的高速永磁電機(jī)中采用了2極結(jié)構(gòu)，分析了永磁體層數(shù)及每層加強(qiáng)筋數(shù)量等對(duì)電磁特性和轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響，永磁體層數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響很小，可忽略不計(jì)，最終樣機(jī)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(xiàn)[5]介紹了一種新型切向式高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖7e所示，C形硅鋼片掛在高強(qiáng)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(hù)措施
表貼式高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖8a為實(shí)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(xiàn)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(jī)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(jiǎn)單，多用于轉(zhuǎn)子外徑較小的高速永磁電機(jī)，2.3 kW、150 000 r/min和10 kW、70 000 r/min等高速電機(jī)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(xiàn)[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(jī)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(hù)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(jī)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(jī)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(jī)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(duì)于表貼式永磁轉(zhuǎn)子，必須對(duì)永磁體采取保護(hù)措施：一種保護(hù)方法是在永磁體外面用高強(qiáng)度非導(dǎo)磁護(hù)套(如Inconel718、鈦合金等)，另一種保護(hù)方法是采用碳纖維等高強(qiáng)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(shí)碳纖維護(hù)套的最大可承受應(yīng)力約為1 400～1 700 MPa，大于合金鋼護(hù)套最大抗拉強(qiáng)度，但合金護(hù)套可承受的最大溫度(290 ℃)遠(yuǎn)高于碳纖維護(hù)套(180 ℃)。合金鋼材料的電導(dǎo)率較高，電機(jī)空間諧波和時(shí)間諧波會(huì)在合金保護(hù)套中產(chǎn)生較大的渦流損耗。采用碳纖維捆扎時(shí)保護(hù)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(xiàn)[138]介紹的在合金保護(hù)套內(nèi)層加入銅屏蔽層可有效抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗，但對(duì)碳纖維保護(hù)措施抑制效果并不明顯。文獻(xiàn)[82]在合金保護(hù)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(hù)套材料屬性
Tab.8 Properties of different sleeve materials
圖9 合金護(hù)套周向開槽結(jié)構(gòu)
Fig.9 Circumferential grooves on alloy retaining sleeve
針對(duì)高速永磁電機(jī)，文獻(xiàn)[139]提出了一種半導(dǎo)磁的合金保護(hù)套，相對(duì)磁導(dǎo)率為7.2，與非導(dǎo)磁合金保護(hù)套相比，采用半導(dǎo)磁保護(hù)套可明顯改善電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形。文獻(xiàn)[140]介紹了一臺(tái)75 kW、60 000 r/min的高速永磁電機(jī)，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(hù)套、非導(dǎo)磁合金護(hù)套以及半導(dǎo)磁合金護(hù)套的性能。采用碳纖維護(hù)套所需保護(hù)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(hù)套所需永磁體厚度最小，保護(hù)套厚度小于非導(dǎo)磁合金護(hù)套，但轉(zhuǎn)子渦流損耗遠(yuǎn)大于非導(dǎo)磁合金護(hù)套和碳纖維保護(hù)套。
文獻(xiàn)[141]對(duì)一臺(tái)1 120 kW、18 000 r/min的高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)了兩種保護(hù)措施：一種采用純碳纖維保護(hù)措施，一種采用合金鋼和碳纖維共同組成的混合保護(hù)措施，如圖10所示。其中純碳纖維保護(hù)套與永磁體采用過盈配合，混合保護(hù)措施與永磁體采用間隙配合，間隙處填充高強(qiáng)度粘合劑，混合保護(hù)措施可降低純碳纖維保護(hù)套的彎曲應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)表明采用上述保護(hù)措施的兩種轉(zhuǎn)子樣機(jī)均能在22 000 r/min安全運(yùn)行。
圖10 1 120 kW、18 000 r/min高速永磁電機(jī)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(xiàn)[71，142]中介紹的轉(zhuǎn)速分別為200 000 r/min和60 000 r/min的兩臺(tái)高速永磁電機(jī)，在碳纖維保護(hù)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(duì)碳纖維護(hù)套造成的彎曲應(yīng)力，提高保護(hù)套可靠性。
4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與軸承設(shè)計(jì)
4.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心和回轉(zhuǎn)中心總會(huì)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(jìn)一步增加，轉(zhuǎn)子振動(dòng)的幅度進(jìn)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(shí)，轉(zhuǎn)子將會(huì)發(fā)生劇烈的彎曲振動(dòng)，引起整個(gè)機(jī)組振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至使得轉(zhuǎn)子遭到破壞。對(duì)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(duì)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
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