搜索
Vol.20No.6第20卷第6期Dec.20152015年12月JournalofChongqingElectricPowerCollege重庆电力高等专科学校学报1 概述上世纪末以来，由于军用和民用对高速电机的需求越来越多，英美等发达国家竞相开展了对高速电机的研究。高速电机的应用领域也越来越广泛，如高速磨床及其他加工机床，高速飞轮储能系统，天然气输送及污水处理中采用的高速离心压缩机和鼓风机等。近来，随着我国电气系统节能工作的推进，以往通过齿轮箱增速的设备更多向高速电机直联改进，高速电机也越来越受到人们的关注。高速电机通常是指转速超过10…000…r/min的电机。它具有以下优点：一是由于转速高，所以电机功率密度高，体积远小于同等功率的普通电机，可以有效地节约材料，减小安装空间的限制；二是可直接与原动机相连，取消了传统的增速机构，传动效率高，噪音小，系统成本低；三是由于高速电机转动惯量小，所以动态响应快。在高速运行情况下，电机的运行特性与常规电机有很大不同，对电机的设计理论和控制技术提出了一系列新的研究课题。我公司近期根据客户要求开发设计了一台高速电机：电机功率200…kW，电压380…V，转速最高18…000…r/min，转矩不低于200…N·m，电机转动惯量小于0.5…kg·m2。本文就此次设计作如下介绍和阐述。2 高速电机结构设计2.1 整体结构设计电机采用开启式箱式结构，由定子、转子、前后端盖、轴承装配等组成电机本体。冷却风机安装于电机正上方，电机整体结构如图1所示。图1 高速电机整体结构先根据工程经验初算方案，大致选定三圆尺寸（定子外圆、定子内圆、转子内圆）及铁芯长度，然后通过有限元分析、电磁方案分析等，反复迭代、优化，最终形成可实现的工程方案。2.2 轴承选取轴承是高速电机的核心部件，轴承设计时要考虑最大转速、轴向和径向的刚度、机械负载的方向和大小、轴的尺寸、轴承配对、润滑脂牌号及安装方式等因素。在高速电机中，主轴轴承（高精度单列角接触球轴承）的应用比较广泛，因为在高速异步电机有实际机械负载的条件下，这种轴承呈现了很好的速度和高速异步电机设计探讨唐永红1，胡一明2（1.重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆………401329；2.重庆理工大学，重庆………400050）【摘 要】结合高速电机的特点，通过运用有限元联合仿真，从结构设计、通风散热设计、电磁设计等方面进行设计分析计算，确定整机的优化电磁结构。【关键词】高速电机；…结构设计；…通风散热；…电磁设计【中图分类号】TM343 【文献标识码】Ａ 【文章编号】1008-8032（2015）06-0013-04收稿日期：2015-02-06该文获重庆市电机工程学会2014年学术年会优秀论文一等奖作者简介：唐永红（1983-），工程师，研究方向为高速电机及高效电机。高速异步电机设计探讨唐永红1，胡一明2（1.重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆401329；2.重庆理工大学，重庆400050）摘要：结合高速电机的特点，通过运用有限元联合仿真，从结构设计、通风散热设计、电磁设计等方面进行设计分析计算，确定整机的优化电磁结构。关键词：高速电机；结构设计；通风散热；电磁设计1概述上世纪末以来，由于军用和民用对高速电机的需求越来越多，英美等发达国家竞相开展了对高速电机的研究，高速电机的应用领域也越来越广泛，如高速磨床及其他加工机床，高速飞轮储能系统，天然气输送及污水处理中采用的高速离心压缩机和鼓风机等。近来，随着我国电气系统节能工作的推进，以往通过齿轮箱增速的设备更多的向高速电机直联改进，高速电机也越来越受到人们的关注。高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。它具有以下优点：一是由于转速高，所以电机功率密度高，体积远小于同等功率的普通电机，可以有效的节约材料，减小安装空间的限制。二是可直接与原动机相连，取消了传统的增速机构，传动效率高，噪音小，系统成本低。三是由于高速电机转动惯量小，所以动态响应快。在高速运行情况下，电机的运行特性与常规电机有很大不同，对电机的设计理论和控制技术提出了一系列新的研究课题。我公司近期根据客户要求开发设计的一台高速电机：电机功率200kW，电压380V，转速最高18000r/min，转矩不低于200N.m，电机转动惯量小于0.5kg.m2。本文对此次设计作了一些介绍和阐述。2高速电机结构设计2.1整体结构设计电机采用开启式箱式结构：定子、转子、前后端盖、轴承装配等组成电机本体。冷却风机安装于电机正上方，电机整体结构如图1所示。图1：高速电机整体结构先根据工程经验初算方案，大致选定三圆尺寸（定子外圆、定子内圆、转子内圆）及铁芯长度，然后通过有限元分析、电磁方案分析等，反复迭代、优化，最终形成可实现的工程方案。2.2轴承选取轴承是高速电机的核心部件，轴承设计时要考虑：最大转速、轴向和径向的刚度、机械负载的方向和大小、轴的尺寸、轴承配对、润滑脂牌号及安装方式等。在高速电机中，主轴轴承（高精度单列角接触球轴承）的应用比较广泛，因为在高速异步电机有实际机械负载的条件下，这种轴承呈现了很好的速度和刚度的折中。本例高速电机的轴承选取，通过与轴承供应第20卷重庆电力高等专科学校学报14刚度的折中。本例高速电机的轴承选取，通过与轴承供应商的联合计算，综合运行寿命与轴承价格，最终选择的轴承配置方式如表1所示。表1 高速电机轴承（HS7013-C-T-P4S-UL）配置参数驱动端A（DE）非驱动端B（NDE）安装方式定位轴承浮动轴承轴承预紧载荷/N无209±30润滑脂牌号FAG…SPEED2,6FAG…SPEED2,6润滑脂填装量/cm36.86.8润滑脂寿命/h约6…500约6…500轴承基本额定寿命/h15…88615…886扩展的修正额定寿命/h794…319794…3192.3 转子设计由于高速电机转子上的离心力与线速度的平方成正比，高速电机要求具有很高的机械强度;又由于高速电机频率高，铁耗大，在设计时应适当降低铁芯中的磁密，采用低损耗的铁芯材料。本次设计转轴材料采用φ90…mm的40CrNiMoA合金圆钢，冲片采用厚度为0.35…mm的B35A310宝钢冷轧无取向硅钢片，转子导条采用铸铜方式，并在转子端环径向用去重法校平衡。2.3.1 临界转速分析转子临界转速分析，本质为旋转构件在旋转工况下的模态分析，回转构件旋转时产生的回转效应明显修改结构的刚度和阻尼矩阵，因而与自由状态下的模态分析结果有很大的不同。旋转工况带来的主要效应有陀螺效应和旋转软化。对于有支撑的转子系统还要考虑系统的弹性支撑。另外，对于电机来说一般还需要考虑单边电磁力的影响。行业用的有限元软件有很多，基本能够对构件的模态进行分析，但是很少有软件能够专门考虑构件旋转带来的附加效应，如陀螺效应和旋转软化，必须修改输入文件才能做类似的分析。而某些有限元计算软件能够在UI界面下直接对转子进行临界转速的分析，也能保证一定的精度，例如ANSYS。下面的分析，使用ANSYS完成。几何建模在inventor中完成，网格划分在hypermesh中完成，使用ANSYS求解器求解。四面体单元为solid185单元，两边的轴承使用combin214单元模拟，轴承刚度使用经验公式估算。建立有限元模型，如图2所示。图2 有限元模型计算完成后生成坎贝尔图（见图3），图中斜率为1的斜线与频率曲线的交点即为转子的临界转速点，与最下面的曲线交点为一阶临界转速点，依次往上与第二条、第三条的交点为二阶和三阶临界转速点。此转子结构的一阶临界转速点位为336…Hz，折合成转速为20…160…r/min，一阶转速远远大于零部件的工作转速。图3 坎贝尔图2.3.2 离心力作用下转子受力分析转子受力分析在SolidWorks…Simulation中完成，除系统标准材料库外，需自定义B35A310硅钢及40CrNiMoA合金钢的材料参数，见表2。表2 自定义材料参数参数B35A310硅钢40CrNiMoA合金钢抗拉强度/MPa538980屈服强度/MPa405835伸长率/%2412断面收缩率/%55冲击吸收功/J78冲击韧性值/（J/cm2）98硬度/HB207269通过建立初算方案的模型，进行仿真计算，并根商的联合计算，综合运行寿命与轴承价格，最终选择的轴承配置方式如表1。表1：高速电机轴承配置驱动端A(DE)非驱动端B(NDE)轴承型号HS7013-C-T-P4S-ULHS7013-C-T-P4S-UL安装方式定位轴承浮动轴承轴承预紧载荷N无209±30润滑脂牌号FAGSPEED2,6FAGSPEED2,6润滑脂填装量cm36.86.8润滑脂寿命h约6500约6500轴承基本额定寿命h1588615886扩展的修正额定寿命h7943197943192.3转子设计由于高速电机转子上的离心力与线速度的平方成正比，高速电机要求具有很高的机械强度;又由于高速电机频率高，铁耗大，在设计时应适当降低铁心中的磁密，采用低损耗的铁心材料。本次设计转轴材料采用φ90的40CrNiMoA合金圆钢，冲片采用0.35的B35A310宝钢冷轧无取向硅钢片，转子导条采用铸铜方式。并在转子端环径向去重法校平衡。2.3.1临界转速分析转子临界转速分析，本质为旋转构件在旋转工况下的模态分析，回转构件旋转时产生的回转效应明显的修改结构的刚度和阻尼矩阵，因而与自由状态下的模态分析结果有很大的不同。旋转工况带来的主要效应有陀螺效应和旋转软化。对于有支撑的转子系统还要考虑系统的弹性支撑。另外对于电机来说一般还需要考虑单边电磁力的影响。行业用的有限元软件有很多，基本够能对构件的模特进行分析，但是很少有软件专门能够考虑构件旋转带来的附加效应如陀螺效应和旋转软化，必须修改输入文件才能做类似的分析，而某些有限元计算软件能够在UI界面下直接对转子进行临界转速的分析，也能保证一定的精度，例如ansys。下面的分析使用ansys完成。几何建模在inventor中完成，网格划分在hypermesh中完成，使用ansys求解器求解。四面体单元为solid185单元，两边的轴承使用combin214单元模拟，轴承刚度使用经验公式估算。建立有限元模型如图2。图2：有限元模型计算完成后生成坎贝尔图（如图3），图中斜率为1的斜线与频率曲线的交点即为转子的临界转速点，与最下面的曲线交点为一阶临界转速点，依次往上与第二条第三条的交点为二阶和三阶临界转速点。此转子结构的一阶临界转速点位336HZ，折合成转速为20160r/min，一阶转速远远大于零部件的工作转速。图3：坎贝尔图2.3.2离心力作用下转子受力分析转子受力分析在SolidWorksSimulation中完成，除系统标准材料库外，需自定义B35A310硅钢及40CrNiMoA合金钢的材料参数，见表2。商的联合计算，综合运行寿命与轴承价格，最终选择的轴承配置方式如表1。表1：高速电机轴承配置驱动端A(DE)非驱动端B(NDE)轴承型号HS7013-C-T-P4S-ULHS7013-C-T-P4S-UL安装方式定位轴承浮动轴承轴承预紧载荷N无209±30润滑脂牌号FAGSPEED2,6FAGSPEED2,6润滑脂填装量cm36.86.8润滑脂寿命h约6500约6500轴承基本额定寿命h1588615886扩展的修正额定寿命h7943197943192.3转子设计由于高速电机转子上的离心力与线速度的平方成正比，高速电机要求具有很高的机械强度;又由于高速电机频率高，铁耗大，在设计时应适当降低铁心中的磁密，采用低损耗的铁心材料。本次设计转轴材料采用φ90的40CrNiMoA合金圆钢，冲片采用0.35的B35A310宝钢冷轧无取向硅钢片，转子导条采用铸铜方式。并在转子端环径向去重法校平衡。2.3.1临界转速分析转子临界转速分析，本质为旋转构件在旋转工况下的模态分析，回转构件旋转时产生的回转效应明显的修改结构的刚度和阻尼矩阵，因而与自由状态下的模态分析结果有很大的不同。旋转工况带来的主要效应有陀螺效应和旋转软化。对于有支撑的转子