高速电机的设计特点及相关技术研究_王凤翔

收稿日期:2006-04-22.

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50437010).

作者简介:王凤翔(1938-),男,山东寿光人,教授,博士生导师,主要从事特种电机及其控制、高速电机与磁悬浮、风力发电与能量

转换系统等领域的研究.

电气工程

文章编号:1000-1646(2006)03-0258-07

【特约】

高速电机的设计特点及相关技术研究

王凤翔

(沈阳工业大学电气工程学院,沈阳110023)

摘　要:简要介绍了高速电动机和发电机的结构类型、设计特点、关键技术及研究现状.以高速永磁电机为例,重点阐述了高速转子的电磁与结构设计、转子强度与刚度分析、永磁体的保护方法、定子铁心与绕组的结构设计与电磁性能计算、高频与高速附加损耗计算、温升计算与冷却散热方式.此外还简要介绍了高速磁悬浮轴承的结构原理与控制方法、高速发电机和电动机的功率变换与控制技术,并对高速电机的发展趋向进行了展望.

关　键　词:高速电机;永磁电机;电磁与机械设计;控制方法;发展趋势中图分类号:T M 355 文献标识码:A

Stu dy on design feature and related technology of high speed electrical machines

WANG Feng -xiang

(School of Electrical Engineering ,Sheny ang University of T echnology ,Shenyang 110023,China )

A bstract :Structure ,desig n feature ,key technology and research status of hig h speed electrical machines are summarized .Taking the high speed permanent magnet machines as an exam ple ,electromagnetic and structure designs of roto r ,analysis of roto r streng th and rigidity ,protection of permanent m agnets ,

electromagnetic desig n of stato r core and w inding ,calculatio n of additional losses caused by hig h frequency and high speed ,prediction of temperature rise and selection of cooling mode are mainly introduced .In addition ,structure and control method of magnetically suspension bearings ,power conversion and control technique of hig h speed moto r and generator as well as their development tendency are discussed briefly .Key words :high speed electrical machine ;permanent mag net machine ;electromechanical desig n ;control

method ;development tendency

高速电机的研究目前正在成为国际电工领域的研究热点.由于转速高,电机的功率密度大,其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机,因此可以有效地节约材料;由于高速电机的转动惯量较小,因此动态响应较快;又由于高速电机可与原动机或负载直接相连,省去了传统的机械变速装置,因而可减小噪音,提高传动系统的效率.

上世纪末以来,由于军用和民用对高速电机的需求,英美等发达国家竞相开展了对高速电机

的研究,其典型代表是:美国麻省理工学院(MIT )的电磁和电子系统实验室研究的5MW 高速感应发电机;德克萨斯州立大学机械电子中心用于先

进机车推进系统的3MW 高速同步发电机和高速感应飞轮电机;英国Turbo Genset 公司推出的以1.2MW 高速永磁发电机为核心的新型移动电站;美国Calnetix 公司开发的舰用2MW 高速永磁发电机,转速范围为19000～22500r /min [1].目前已研制出500000r /min 的永磁发电机[2].高

第28卷第3期2006年6月沈　阳　工　业　大　学　学　报Journal of Shenyang University of Technology

Vol .28No .3Jun .2006

速电机的应用领域越来越为广泛,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,用于分布式供电系统的微型燃气轮机驱动高速发电机越来越受到人们的关注,我国对高速电机的需求也比较迫切,但研究工作尚处于起步阶段.现正在研制2.5M W高速感应电机[3],同时已研制了转速50000r/min以下的小功率高速电机.

在高速和超高速运行情况下,电机的运行特性与常规电机有很大的不同,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.本文对此作一介绍和阐述.

1　高速电机的特点与关键技术

高速电机的主要特点有两个:一是转子的高速旋转,转速高达每分钟数万转甚至十几万转,圆周速度可达200m/s以上;二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率,一般在1000Hz以上.由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术. 1.1　高速发电机的结构及其控制方式

高速发电机可以有多种结构形式,如永磁电机、感应电机和磁阻电机等[4～6],它们各有优缺点.从功率密度和效率来看,选择次序为永磁电机、感应电机和磁阻电机;然而从转子机械特性来看,其选择次序需要颠倒过来,即磁阻电机、感应电机和永磁电机.在确定高速电机结构型式时,需要对其电磁和机械特性、控制方式和功率变换系统进行综合对比研究.目前中小功率高速电机采用永磁电机较多,中大功率高速电机采用感应电机较多.

1.2　高速电机转子动力学

电机在高速旋转时转子的离心力很大,当线速度达到200m/s以上时,常规的叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力,需要采用特殊的高强度叠片或实心转子.对于永磁电机来说,转子强度问题更为突出,因为烧结而成的永磁材料不能承受高速旋转产生的拉应力,必须对永磁体采取保护措施.转子强度的准确计算和动力学分析是高速电机设计的关键技术[7].

1.3　高速电机的损耗、温升计算与散热技术

高速电机不仅由于绕组电流和铁心中磁通交变频率增加导致基本电气损耗的增加,而且还增加了高频附加损耗,特别是转子表面由于高速旋转产生的风磨损耗和轴承损耗在总损耗中所占有较大的比重,且与电机运行速度和散热条件密切相关,因而难以准确计算.同时,由于单位体积功率密度与损耗的增加和总体散热面积的减小,因此有效的散热和冷却方式,是高速电机设计中的一个重要问题[8,9].

1.4　高速电机的磁悬浮技术

高速电机不能采用传统的机械轴承,而需要采用非接触式轴承.磁悬浮是目前唯一可以实现主动控制的现代支承技术,具有允许转速高、摩擦功耗小、无需润滑和寿命长等优点,磁悬浮技术成为高速电机的重要研究内容.

1.5　高速电机的控制策略与功率转换技术

不管采用永磁发电机还是感应发电机,都需要采用适当的功率变换系统,将高速发电机输出的高频交流电能转化为恒频恒压的电能供给用户使用.高速电动机则需要变频调速系统.因此需要研究高速电机功率变换和控制系统的电路拓扑结构和控制策略.

下面将对上述某些关键技术内容作进一步的阐述.

2　高速永磁电机的转子设计

由于永磁电机的高效率和高功率密度,永磁转子成为中小功率高速电机的首选结构,然而永磁材料的抗拉强度较低,成为高速永磁转子设计的难题.在永磁转子设计中需要重点考虑以下问题[10].

2.1　转子直径与长度的选取

从减小离心力的角度来看,高速电机转子直径应选得越小越好,然而转子要有足够大的空间放置永磁体和转轴,因而转子直径不可过小.

高速电机转子一般为细长型,为了保证转子具有足够的刚度和较高的临界转速,转子轴向不可过长.特别是对于采用磁悬浮轴承的高速电机转子,为了减小跨越临界转速时磁悬浮控制的难度,希望设计成为刚性转子,采用适当的转子长径比.高速永磁转子的直径和长度需要进行精确的电磁和机械特性分析后才可确定.

2.2　永磁材料的选取

高速电机的永磁体不仅要具有良好的磁性能,即较高的剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积,而且应具有足够高的工作温度和热稳定性.由于高速永磁转子的高速、高频附加损耗较大而散热条件较差,因此防止转子过热造成永磁体不可逆失磁,是需要考虑的一个重要问题.

2.3　极数选择

高速电机一般为2极或者4极,各有优缺点.

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