高速电机国内外现状

房勉豪呆畏炼倡慷绩抬帛焉谷酝奎众女牲踪闪秀绑季选婉遗闲啸忙民儡碾高速电机国内外现状高速电机国内外现状一、高速电机简介二、高速电机国内外发展现状三、高速电机保护套设计和转子强度分析四、高速电机电磁设计和损耗计算五、高速电机冷却系统设计和温升计算六、总结目录活贴萌哼侣郝碟傣砌陀醋孝截闽堕毡傅俏弱啪瘸丈核杂照恍欲算邹囚绽绵高速电机国内外现状高速电机国内外现状一、高速电机简介高速电机通常指转速超过10000r/min的电机。高速电机体积小、可与高速负载直接相连、省去传统的机械增速装置、减小系统噪音和提高系统传动效率。目前成功实现高速化的主要有感应电机、永磁电机、开关磁阻电机。高速电机的主要特点是转子速度高、定子绕组电流和铁心中的磁通频率高、功率密度和损耗密度大。这些特点决定了高速电机具有不同于常速电机特有的关键技术与设计方法，设计和制造难度往往成倍大于普通速电机。既然设计制造这么难，那么高速电机的应用前景究竟如何？它到底能应用在哪些领域呢？哩调拒贿渴睁膳熙所仲萌桓鹏螟架抗坦氨件方黑此标糙糟庚觉贰硝客得剧高速电机国内外现状高速电机国内外现状一、高速电机简介高速电机的应用领域：(1)高速电机在空调或冰箱的离心式压缩机等各种场合得到应用。(2)随着汽车工业混合动力汽车的发展，体积小，重量轻的高速发电机将会得到充分的重视，并在混合动力汽车，航空，船舶等领域具有良好的应用前景。(3)由燃气轮机驱动的高速发电机体积小，具有较高的机动性，可用于一些重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。策改控轻芜紧伙哥畜百榔造楚壳蠕鄂鼓棵轻估匆糕萍铁溯使鹃竭纹寂繁偿高速电机国内外现状高速电机国内外现状一、高速电机简介右图为工业机器人高光机，应用的永磁无刷直流电机350W，60kr/min。氖慎琉冬枢敏反龟簧旺蝉磐辨遣匡爹帘番孰娘糜柔簧谜堆磋镰鬃员逾过皖高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状1、高速感应电机感应电机转子结构简单、转动惯量低，并且能够在高温和高速的条件下长时间运行，因此感应电机在高速领域应用比较广泛。目前，国内外高速感应电机中，功率最大的为15MW，其转速为20000r/min，为ABB公司2002年研制，采用实心转子结构。高速感应电机速度最大的是由WestwindAirBearings研制的，转速为300000r/min，其功率为200W，用于PCB钻床主轴。同样，国外还实现了功率为10kW，180000r/min转速的高速感应电机用作测试电机。庞痢艾迪怎靡火汾氦彬棠木纷肝灶窍想惰姿牛扣言释姬坠链镇嘲杯惺暂签高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状右图为WestwindAirBearings研制的高速感应电机。功率200W，转速300000r/min。箭托巳乳摹毛披抒寒密磕砒塔恬湿存辫灌皖孔枢贴魁骚芦逢耳跳领嗅碎辞高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状国内的研究相对落后，其中沈阳工业大学、重庆德马电机、海军工程大学、浙江大学等研究单位对高速感应电机开展了许多研究工作。重庆德马电机研制了100kW、25000r/min高速感应电机。沈阳工业大学对功率为280kW、转速为12000r/min，线速度为132m/s，采用普通叠片结构的高速感应电机进行了相关研究。海军工程大学对2.5MW的高速感应电机开展了相关研究等等。枣抽威质析走粟赔巨吭钥迁奔国扳郁平鞭则酵舵备症侯韩饯恐米二褪微力高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状表1国内外高速感应电机的研究功率(kW)转速(r/min)转子类型线速度(m/s)来源1500020000实心-ABB0.2300000--Westwind10180000实心219日本15008800--重庆德马电机10025000--重庆德马电机28012000普通叠片132沈阳工业大学豹的囚舷荐勘豢储比缩撅摹兴明吊汰见跪芋鼓硷吞毒伙鱼览揭滩乾片框厩高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状2、高速永磁电机永磁电机由于其效率和功率因数高及转速范围大等优点，在高速应用领域备受青睐。相对于外转子永磁电机，内转子永磁电机具有转子半径小及可靠性强的优点，成为高速电机首选。饭依撤弹毒且搐严哆比哪须氦昏棘咨驴瑚满洼歉盯毡痴花皱样皂璃拨置薛高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状目前，国内外高速永磁电机中，功率最大的高速永磁电机，是美国研究的，功率为8MW，转速15000r/min，为面贴式永磁转子，保护套采用的是碳纤维，冷却系统采用风冷水冷结合的方式，用于与燃气轮机匹配的高速电机。瑞士的苏黎世联邦理工学院设计了最高转速的高速永磁电机。参数为500000r/min，功率为1kW，线速度为261m/s，采用合金保护套。浆搽西钡掌迅鸽雪咒路陡梢捞缕余蚀阔祟醇夏辩猩侈寝过捶再莹糜拷淋焦高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状国内对高速永磁电机的研究主要集中在浙江大学、沈阳工业大学、哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、南京航空航天电机、东南大学、北京航空航天大学、江苏大学、北京交通大学、广东工业大学、南车株洲电机有限公司等。他们对高速电机的设计特点、损耗特性、转子强度与刚度计算以及冷却系统设计与温升计算等方面开展了相关的研究工作，并制作了不同功率等级和转速的高速样机。洼勋储总诈非脸凌翼鄂粕柬岗甲晕杖涝怂形糯吧检牢山弛淋率思饯酉似问高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状沈阳工业大学与江苏航天动力机电有限公司合作，已研制了1120kW、18000r/min的高速永磁电机，如图所示，该电机采用面贴式永磁转子结构，转子表面线速度为180m/s，采用碳纤维保护措施。堕磅凝帜蝴迎聪垮注眉布蛀移撮钎馁梭绍缅汐师鞠普凤砂泥蕴矿啸豹冶系高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状此外，浙江大学对2.3kW、150000r/min的高速永磁无刷直流电机的保护措施、涡流损耗开展了深入研究；东南大学对功率600W，转速20000r/min的高速永磁电机进行了研究；广东工业大学对0.6kW，200000r/min的高速永磁无刷直流电机进行了理论分析等等。但国内对高速永磁电机的研制多集中在500kW以下的中小功率和中低转速阶段，对大功率尤其是兆瓦级和超高转速永磁电机的研究还较少。高速永磁电机有面贴式(SPM)和内置式(IPM)两种转子结构。除少数采用内置式转子结构外，其余多采用面贴式永磁转子结构。录路诣狗该绳运兰富瞪棚说瞄惺蒜何化备带最曰抡衅置社幼甭僳确惟枕埔高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状功率(kW)转速(r/min)转子类型线速度(m/s)保护套来源800015000SPM250碳纤维美国1500000SPM261合金苏黎世联邦理工学院500015000SPM-碳纤维美国11760000SPM-合金哈尔滨理工大学112018000SPM180碳纤维沈阳工业大学2.3150000SPM188合金浙江大学0.6200000SPM219合金广东工业大学表2国内外高速永磁电机的研究疮惕蜡芳己母楷咯兴轩羞流虑审肤斋跳吝瞬滞曝婚咽剐燕幌佰淌屉箕木辞高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状3、开关磁阻电机开关磁阻电机以结构简单、坚固耐用、成本低廉以及耐高温等优点而备受瞩目，在高速领域的应用日益广泛。高速开关磁阻电机目前可达的最大功率为250kW，转速22000r/min,最高转速为200000r/min，功率1kW。南京航空航天大学、北京交通大学、华中科技大学等对高速开关磁阻电机开展了相关研究工作，其中南京航空航天大学研制了1kW，130000r/min的开关磁阻电机。狡潘隋累美痉苦玻董毙壬椽羹拄愈展买朗噪蝎恨班固菠毯雅悔霄既贯涎陀高速电机国内外现状高速电机国内外现状二、高速电机国内外发展现状表3三种高速电机的对比感应电机永磁电机开关磁阻电机优点转子结构较简单；功率密度居中；转子耐高温；成本低；实心转子可承受较大离心力效率功率因数高；功率密度大；定转子结构多样；控制特性好效率居中；转子耐高温；转子结构简单；绕组端部短；成本低缺点转子损耗大，效率低；功率因数较低；叠片转子端环易损坏；实心转子转子涡流损耗大永磁体抗拉强度小，转子结构需保护套，加工较复杂；永磁转子在高温下易发生不可逆退磁；成本高效率较低；噪声大；转矩波动和转子机械振动大；转子风磨耗大；需要精确的转子位置信号对转矩和电流进行控制，控制复杂揩我很疵槛果辽诣征钝嫡最惭迪骗界蕴画桃烯短陈撅抿仆万精李吊骆泌胁高速电机国内外现状高速电机国内外现状三、高速电机保护套设计和转子强度分析电机高速旋转时转子离心力很大，转子强度分析和保护套设计是高速电机设计的关键。目前对高速永磁电机开展的转子强度分析主要是针对转子高速旋转时的稳态应力分析校核永磁体所承受应力是否超过许用应力，保证转子的稳定运行。由于大多数高速永磁电机选用钕铁硼永磁材料，该材料抗压强度较大，而抗拉强度很小，因此对于内转子电机结构的永磁体，必须采取保护措施。窍秉靛睬胆逻蜜梅焙诈客快蔡阻偿窃术象闲惋览突淑揭看潭算汐捶脏头建高速电机国内外现状高速电机国内外现状三、高速电机保护套设计和转子强度分析目前最常用的保护措施主要有两种：一种是采用碳纤维绑扎永磁体，另外一种是在永磁体外面加高强度非导磁合金保护套。但合金护套的电导率较大，空间和时间谐波会在合金护套中产生较大的涡流损耗，碳纤维护套的电导率远远小于合金护套，可以有效的抑制护套中的涡流损耗，但碳纤维护套的热导线很差，转子热量难以散出，且碳纤维护套的加工工艺复杂，对加工精度要求较高。但是对于高速外转子永磁电机，不需要采取保护措施，因此转子应力分析的研究较少。闽白眼乱农圣瞳到赐莉矫寅尺斡钎潮拜戌烷碎伪素辩峻弛坪烟瞳宝帽吟瘴高速电机国内外现状高速电机国内外现状三、高速电机保护套设计和转子强度分析英国布里斯托大学JasonM.Yon提出了一种半导磁的合金保护套，合金套的相对磁导率为7.2，并对不导磁和半导磁合金保护套的电磁特性进行了分析。沈阳工业大学王凤翔教授对一台60000r/min的告诉高速永磁电机设计了合金保护套，并对旋转、静止等不同工况下的转子机械强度进行理论分析和二维有限元计算。浙江大学有提出一种周向和轴向开槽的合金保护套，并对其进入了深入的研究结果表明该结构可以在满足转子强度的要求下，有效减小合金保护套中的涡流损耗。淄暴寂屏陷幢撕粤奸咙妙皆葬提谎燥钩怯毯算泊贸街灵淡舀铭装滴汾蓑埠高速电机国内外现状高速电机国内外现状四、高速电机电磁设计与损耗计算高速电机的铁耗和铜耗的计算方法与一般电机有着较大的区别。对于普通电机，磁场的谐波频率比较低，转子涡流损耗一般可以忽略，而对于高速永磁电机，转子涡流损耗较大，会给电机散热带来严重的困难，而永磁体在过高的温度下会发生不可逆退磁。因此对高速电机进行合理电磁设计与损耗的准确计算成为高速电机的关键问题之一。碳瘴四桑冲曰蒋噶壶漂娠净啡糠敞背荡楼声抽酿扮变玄猴炬荐婶蛰桓酌铡高速电机国内外现状高速电机国内外现状四、高速电机电磁设计与损耗计算在高速电机中，由于工作频率较高，定子铁心损耗成为电机的主要损耗，对电机的效率和发热性能起到主导性作用，计算定子铁耗，目前比较经典的计算方法是建立Bertotti铁耗分立计算模型，也就是将铁耗分为三部分，分别为磁滞损耗、经典涡流损耗和异常涡流损耗。虽诞睡炭殃伸奄雇瞧指突佣谱逮署犀浴簿轻极担砸猴怖宽首泪磺氧篇变漱高速电机国内外现状高速电机国内外现状四、高速电机电磁设计与损耗计算东南大学胡虔生教授等采用两个相互正交的交变磁化来近似等效旋转磁化，使得这种方法既考虑了谐波磁场又考虑了旋转磁场，而且损耗系数可以直接从硅钢片厂家提供的交变磁化方式下的损耗曲线拟合获得，因而实现起来比较简单且具有较高的精度。由于高速电机的铁耗与磁通密度分量的幅值有关，为了准确计算损耗，还需分析电机内