高速电机调研报告

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1、1 基于高速电机的调研报告随着电力工业的发展， 我国的电力工业水平已经跃居世界第二位，发电厂的装机容量在不断扩大， 但是我国的电力发展及其分布却很不均匀，其根本原因在于我国幅员辽阔，东、西部经济发展不平衡，导致了不但偏远地区用电困难，中心城市在用电高峰期时电力供应也严重不足。目前，我国电力生产、 输送和分配的主要方式为集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统，这种供电模式有很多的缺点，比如：（1）电力输送所需的成本随着输电距离的增加而增大； （2）电能在输送过程中存在着损耗； （3）电力需求随季节、时间的不断变化，造成电力生产与用户需求不协调等等。另外，集中式供电模式还存在一些更严重的问题：

2、 （1）如果供电中枢或电力网出现故障，将造成的严重的经济损失， 且极易遭到战争或恐怖势力的破坏； （2）集中式大电网不能跟踪电力负荷的变化， 而为了短暂的峰荷建造发电厂花费巨大，且经济效益较低。相比集中式供电系统， 采用基于高速电机的液体或气体燃料的内燃机、微型燃气轮机为动力源的分布式供电系统作为辅助手段，不但可以很好地解决上述的问题，而且具有良好的环保性能。1 高速电机的介绍现代生活中，电机在电能的生产、输送和使用等方面起着至关重要的角色，而高速电机正成为电机研究领域的一个热点，它不仅可获得更大的生产率， 而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因而被认为是21 世纪最有发展前途的先进

3、制造技术之一。11 高速电机的定义所谓高速电机，通常是指转速超过10000r/min 的电机，它的电机功率密度大，动态响应快，且转动惯量小，几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，可以有效的节约材料； 其还可以与原动机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，减小了噪音，提高了传动系统的效率。2 12 高速电机的分类与优劣性高速电机就其供电方式而言可以分为两类，即直流高速电机和交流高速电机两种，后者又分为高速异步电动机和高速同步电机。根究不同的需求， 高速电机又可分为多种结构形式，如感应电机， 永磁电机和磁阻电机等。 从结构上看， 直流高速电机几乎全都是无刷直流电机，而无刷直流高速电机和交流离

4、速电机均属于无触点电机的范畴，有触电的高速电机几乎是没有的，这主要是由于电机转速高和有触点电机的结构所决定的。交直流两类高速电机各有优缺点，如表 1 所示，就目前来看很难断言哪类电机的优越性更大。表 1 交流高速异步、同步电机的优劣性对比优点缺点交流高速异步电机结构简单，造价低、抗离心力能力强，转速可以做的较高效率较低，启动状态电流大，相应的要求电源容量大交流高速同步电机通过对电源的频率控制可以实现精确的速度控制结构复杂，抗离心能力差直流高速无刷电机的优劣性如表2 所示。 直流高速无刷电机在高速运转情况下对位置传感器的要求较高， 传感器必须具有响应快、 输出大、性能稳定的特性。但是，当转速高到

5、一定程度时， 这些要求对传感器而言是很难全面保证的，因此实际使用中需要根据具体情况才能决定采用哪种电机较为合适。表 2 直流高速无刷电机的优劣性优点缺点直流高速无刷电机效率高、可以方便地实行速度控制结构复杂， 抗离心力的能力差，最大的缺点在于其必须有位置传感器，对传感器的要求较高根据查阅的资料显示， 实际使用中， 如果从功率密度和效率考虑， 一般优先考虑的选择顺序为永磁电机、感应电机和磁阻电机。如果从转子机械特性考虑，其优先考虑选择的顺序恰好相反，即磁阻电机、 感应电机和永磁电机。 在确定高速电机结构形式时， 需要对其电磁特性和机械特性综合对比研究，目前中小功率3 高速电机采用永磁电机较多，中

6、大功率高速电机采用感应电机较多。2 高速电机的特性研究与关键技术在高速和超高速运行情况下，电机的运行特性与常规电机是有很大的不同的，因此，对电机的设计理论和控制技术具有很高的研究价值。21 高速电机的特点高速电机有两个主要特点： 一是它的转子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；二是它的定子绕组电流和铁心中磁通的频率高达 1000Hz以上。22 高速电机的关键技术（1）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

7、散热条件密切相关，因而难以准确计算。随着转速的提高，同样输出条件下，相比普通电机，高速电机的体积小、重量轻，但是机械损耗和铁耗增大了。由于趋肤效应1的加剧，容易导致电机发热严重，单位体积的损耗加大，因此，如何有效的散热和冷却方式在高速电机里显得更为突出。通常采用强迫通风和外循环水冷技术的办法解决，这样高速电机的结构就变得比较复杂，不仅有气路，还有一个供循环水存储流通的“小室”结构位于定子铁心的外面。（2）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之一。高速电机在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，容易造成转子变形、破

8、碎，因此，电机转子圆周的线速度不能太大， 这就要求在设计转子的结构和金属材料时使用特殊的高强度叠片或实心转子， 并对其圆周速度进行限制。 根据相关资料显示， 其值应符合表 3 的要求。当转子的线速度已达到表3 中的极限值，而转子的速度却未1导线内部实际上电流很小，电流集中在临近导线外表的一薄层，结果使它的电阻增加，导线电阻的增加，使它的损耗功率也增加，这一现象称为趋肤效应。4 达到要求的转速时， 就必须缩小转子的外径， 因此，高速电机转子的外径通常比普通电机的小。表 3 高速电机的转子线速度要求转子线速度转子结构米/ 秒无刷直流电机转子110 同步机迭片筒形转子130 异步机迭片转子110 实

9、心转子110 （3）高速电机对于所用的轴承及其润滑也有一定的要求。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。 一般高速电机轴承可分为金属轴承、空气轴承和磁悬浮轴承三类。当使用金属轴承时， 对其的润滑方式是不得不考虑的问题，一般常用的是喷气润滑和喷雾润滑， 喷气润滑的润滑油以喷气流的形式用10002000cc/min 的速度吹入轴承进行润滑；喷雾润滑要求压缩空气的压力为22.5kg/cm2。当然，喷气润滑和油雾润滑只适用一定的转速范围，通常以电机转速与金属轴承内径之积来确定选用润滑方式的依据，该值通常称为ND 值，油雾润滑 ND 值不大于 0.7 106时适用，而喷气润滑 ND

10、值可以达到 0.1 107。空气轴承的结构原理如图 1所示。用压缩空气代替油膜实现气悬浮，漏气比漏油问题容易解决。与磁悬浮轴承比，空气轴承的体积较小，控制简单；其缺点是用很薄的一层压缩空气（ 25nm ）支撑转子，承受负载能力有限，同时对轴承材料的性能与加工精度要求极高。图1 空气轴承结构原理示意图磁悬浮是目前唯一可以实现主动控制的现代支承技术，通过磁力耦合实现定5 转子之间的非接触悬浮， 可进行动态悬浮力控制， 不存在漏油和漏气问题， 在高速电机中应用较多，具有允许转速高、摩擦功耗小、无需润滑和寿命长等优点，其结构示意图如图 2所示。磁悬浮技术已经成为高速电机的重要研究内容之一。a. 与电机

11、分离的磁力轴承电机b. 与电机合为一体的无轴承电机图 2 磁悬浮轴承示意图（4）高速电机较合理的方式是采用内装电机直接驱动，即将电机的转子直接安装在主轴上， 定子安装在主轴套筒里， 做成所谓电主轴的形式。 该电主轴具有结构紧凑、易于平衡、传动较率高等优点，是高速主轴理想的结构。电主轴的性能除了受轴承及其润滑技术影响较大以外，还受许多因素的影响， 其中包括轴承预紧力的控制、内装电机的发热与冷却、主轴的动平衡、轴上零件的连接等，此外，主轴轴端的设计也是高速电主轴不容忽视的问题。（5）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

12、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。以上提到的一系列问题均由高速引起的，转速越高这些问题就越严重， 这些特点在设计和制造高速电机时必须予以充分注意。3 高速永磁直流无刷电机的分析高速电机可以选用交流同步电机和无刷直流电机，但是交流同步机会产生失步 现 象 ， 所 以 通 常选 用 无 刷 直 流 电 动 机 。 无 刷 直 流 电机 转 速 最 高 可 达20000r/min ，甚至可以达到 30000400O0r/min。随着近些年来新材料的不断涌现、电力电子技术的迅猛发展、 先进算法的不断出现使设计和应用新型电机成为可

13、能。高速永磁无刷直流电动机的出现就是社会科学技术不断发展的表现。高速6 永磁无刷直流电机如图3 所示。高速永磁电机与普通的电机相比具有以下一系列优点：(l) 高速永磁电机的转子一般比较细长，因而电机具有的转动惯量小，动态响应快的优点；(2) 由于电机本身的转速较高，单位体积所产生功率大，和功率相等转速低的电机比体积要小很多，这样在减轻电机重量的同时也减小了成本；(3) 高速永磁电机可以直接与负载相连，既减小了整体设备的体积，又可以避免由系统中附加的变速装置引起的电机附加损耗、振动及噪声， 而且还提高了整个传动系统的运行效率、运行精度和可靠性。图 3 高速永磁无刷直流电机图 4 高速无刷直流电动

14、机内部结构图31 高速永磁无刷直流电机的结构高速永磁无刷直流电动机的结构如图4 所示。高速永磁无刷直流电动机的控制系统包括电源、逆变器、位置传感器、 控制器还有高速电机本体， 系统的各个部分相关联， 使高速无刷直流电动机的控制更加的准确，整个系统的结构图如图5 所示。图 5 高速无刷直流电动机控制系统结构图32 高速永磁无刷直流电机的工作原理7 高速永磁无刷直流电动机的工作原理类似于有刷直流电动机的工作原理，接下来介绍一下有刷直流电动机的工作原理。有刷直流电动机的转子上没有永磁体，而是安装在定子上的， 在气隙内产生励磁磁场， 由洛伦兹定理可得， 当电流在电枢导体中流动时，每根通电导体都会受到来

15、自永磁体的洛伦兹力，它的计算公式为：FKBLi（1）式中，F为电磁力； K为常数； B为电机的气隙磁密； L 为电枢线圈长度； i 为线圈导体电流。则整个线圈电枢绕组的洛伦兹力为：FKBLNi（2）式中， N为线圈串联导体匝数。整个电机转子所受洛伦兹力产生的电磁转矩是以转子圆心为圆心，半径为力臂的转矩，它的计算公式为：TKRBLNi（3）式中， R为线圈到转子圆心的距离。永磁有刷直流机的电枢绕组是由多个线圈组成的，相邻线圈位移角的大小由线圈缠绕的方式决定。 在电机旋转过程中， 同一磁极下， 虽然线圈导体在不断的更替，但是在外加电压极性不变的情况下，在此磁极下导体的电流始终保持同一方向，这是由有

16、刷电机中电刷与换向器的换向功能所决定的。这样，电机产生电磁转矩的方向也不变， 使电机能够持续的运转， 这就是有刷直流电机的工作原理。无刷直流电机和有刷直流电机的运行原理类似，无刷直流电机电枢绕组在定子上，通过控制器使通入的直流电转换为多相的方波交流电，定子磁场以n=60f/p 的速度旋转。转子通过永磁体励磁，转子永磁体产生磁通与定子绕组磁通交链成转矩， 并随着定子磁场同步速旋转。 其设计重点为将电机气隙磁场波形设计为正弦波。 无刷直流电动机没有电刷， 所以不会存在电刷损坏等问题，并且其绕组是在定子上， 通过机壳往外散出热量， 相对有刷直流电机散热较好，并且体积较小。具有高效率，高调速范围等优点。4 高速电机的发展现状与应用前景41 国内研究现状8 永磁电机有着很多其他普通电机无法比拟的优点，如今已成为电机行业研究的热点，国内对高速电机的研究还处于初级阶段，但是随着国家对永磁电机研发投入大量的人力和物力，高速电机的研发也迅猛的发展起来。国内某研究机构针对高速永磁电机关键部分的技术进行了深入的研究，指出永磁电机的温升、 转子机械强度、 永