高速电机的设计特点及相关技术研究

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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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 : TM 355 　　　文献标识码 : A Study on design feature and related technology of high speed electrical machines WAN G Feng2xiang (School of Electrical Engineering , Shenyang University of Technology , Shenyang 110023 , China) Abstract : Structure , design feature , key technology and research status of high speed electrical machines are summarized. Taking the high speed permanent magnet machines as an example , electromagnetic and structure designs of rotor , analysis of rotor st rength and rigidity , protection of permanent magnets , electromagnetic design of stator core and winding , calculation of additional losses caused by high frequency and high speed , prediction of temperature rise and selection of cooling mode are mainly introduced. In addition , st ructure and control method of magnetically suspension bearings , power conversion and control technique of high speed motor and generator as well as their development tendency are discussed briefly. Key words : high speed electrical machine ; permanent magnet machine ; electromechanical design ; 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 是 :美国麻省理工学院 (M IT) 的电磁和电子系统实验室研究的 5 MW 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 3 MW 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 112 MW 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 2 MW 高速永 磁发电机 ,转速范围为 19 000～22 500 r/ min[1 ] . 目前已研制出 500 000 r/ min 的永磁发电机[2 ] . 高 第 28 卷 第 3 期 2 0 0 6 年 6 月 沈 　阳 　工 　业 　大 　学 　学 　报 Journal of Shenyang University of Technology Vol128 No13 J un. 2 0 0 6 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 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 215 MW 高速感应电机 [3 ] ,同 时已研制了转速 50 000 r/ 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 200 m/ s以上 ;二是定子绕组电流和铁心 中磁通的高频率 ,一般在 1 000 Hz 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. 111 　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. 112 　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 200 m/ 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 ] . 113 　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 ] . 114 　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. 115 　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 ] . 211 　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. 212 　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. 213 　极数选择 高速电机一般为 2 极或者 4 极 ,各有优缺点. 952第 3 期 王凤翔 : 高速电机的设计特点及相关技术研究 　　　 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2 极电机的优点是转子永磁体可采用整体结构 , 保证转子沿径向各向同性有利于转子的动态平 衡 ,同时可减小定子绕组电流和铁心中磁场的交 变频率 ,有利于降低高频附加损耗. 2 极电机的缺 点是定子绕组端部较长而铁心轭部较厚. 4 极电机刚好与 2 极电机相反 ,优点是定子 绕组端部较短和铁心轭部较薄 ,缺点是永磁转子 需要多块永磁体拼接以及定子绕组电流和铁心中 磁场的交变频率较高. 从电磁和机械两个方面综合考虑 ,特别是从 转子结构设计来看 ,采用 2 极方案比较有利. 214 　永磁转子护套设计 高速电机一般选用的稀土永磁体为烧结钕铁 硼 ,是一种类似于粉末冶金的永磁材料 ,能承受较 大的压应力 (1 000 MPa) ,但不能承受大的拉应 力 ,其抗拉强度一般低于抗压强度的十分之一 ( < 100 MPa) . 如果没有保护措施 ,永磁体无法承受 转子高速旋转时产生的巨大离心力[11 ,12 ] . 保护永磁体的方法之一 ,是在永磁体外面加 一高强度非导磁保护套 ,永磁体与护套间采用过 盈配合 ,如图 1 所示. 另外一种保护方法是用采用 碳纤维绑扎永磁体 ,如图 2 所示. 图 1 　采用非导磁合金钢护套的永磁转子 Fig. 1 　PM rotor with nonmagnetic steel enclosure 护套的作用是在转子处于静态不旋转时 ,使 永磁体承受一定的压应力 ,以补偿高速旋转时离 心力产生的拉应力 ,使永磁体承受的拉应力在永 磁材料所许可的范围之内. 需要给永磁体施加多 大的预压力 ,永磁体与护套之间需要采用多大的 过盈量 ,需要根据永磁转子的结构、转子运行速度 范围和材料特性 ,进行转子强度分析 ,通过计算高 速旋转时永磁体和护套的应力和应变方可确定. 采用非导磁合金钢护套的优点是能够对高频 磁场起到一定的屏蔽作用 ,并能减小永磁体和转子 轭中的高频附加损耗 ,同时导热性能较好 ,有利于 永磁体的散热 ;其缺点是护套为导电体 ,会产生涡 流损耗.与金属护套相比 ,碳纤维绑扎带的厚度要 小 ,而且不产生高频涡流损耗 ;然而碳纤维是热的 不良导体 ,不利于永磁转子的散热 ,而且对永磁体 没有高频磁场的屏蔽作用. 研究表明 ,在碳纤维绑 扎的永磁体外加一薄层导电性能良好而不导磁的 金属 ,可以有效地屏蔽高频磁场进入永磁体和转子 轭 ,对减小永磁转子的高频附加损耗十分有效[8 ,9 ] . 图 2 　采用碳纤维绑扎的永磁转子 Fig. 2 　PM rotor covered by a carbon2fiber bandage enclosure 3 　高速电机的定子设计 随着转速的增高 ,电机的体积减小而定子绕 组电流和铁心中磁通交变频率增高 ,电机单位体 积的损耗和发热量增加而散热面减小 ,减小损耗 和有效的散热成为高速电机定子绕组和铁心设计 需要解决的主要问题[13 ,14 ] . 311 　定子铁心材料的选择 由于定子铁心中磁通的变化频率与电机的转 速成正比 ,而单位铁损耗与频率的 113～115 次方 成比例 ,一台 60 000 r/ min 的电机磁场变化频率 是 3 000 r/ min 电机频率的 20 倍 ,如铁心中的磁 通密度相同 ,高速电机的单位铁耗将增加 50～80 倍. 降低铁耗的办法有 : ①适当降低铁心中的磁 通密度 ; ②采用低损耗的铁心材料 ,如特殊软磁 合金、非晶态合金钢片 (Amorphous steel) 和磁粉 压制的 SMC(Soft magnetic composite)软磁铁心. 上述特殊软磁合金成本较高 ,非晶态合金钢 片薄而脆不易加工成型 ,而 SMC 材料尚处于开 发和试用阶段. 目前高速电机的定子铁心仍以采 用超薄型低损耗冷轧电工钢片为主. 312 　定子铁心结构 可以采用如图 3 所示多槽式、少槽式和无槽 062 　　　沈 　阳 　工 　业 　大 　学 　学 　报 第 28 卷 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 式三种不同类型的定子铁心. 通过对一台 2 极高 速电机在相同定转子尺寸和运行条件下采用不同 槽数 (24 槽、6 槽和无槽) 定子铁心结构磁场有限 元分析 ,得出的在转子表面一点的磁通密度变化 曲线对比 ,如图 4 所示. 图 3 　三种典型的定子铁心结构 Fig. 3 　Three typical structures of stator core a.多槽式 　b. 少槽式 　c. 无槽式 图 4 　不同定子铁心结构气隙磁场的比较 Fig. 4 　Comparison of air gap magnetic fields for different stator core structures 通过对比图 4 中永磁转子表面气隙磁通密度 的变化曲线可以看出 ,无槽定子不产生高频齿谐 波磁场 ,对减小转子损耗十分有利 ,但气隙过大 , 永磁体产生的气隙磁场较小 ,材料利用率过低. 6 槽定子气隙平均磁场最强 ,材料的利用率最好 ,但 齿谐波磁场幅值过大 ,转子的损耗较大. 相比之下 24 槽定子结构较好 ,尽管齿谐波磁场的频率较 高 ,但幅值较小 ,在转子中产生的损耗比 6 槽定子 要小得多 ,而平均气隙磁通密度略小于 6 槽定子. 313 　定子绕组型式 由于转子强度所限 ,高速电机一般为细长型 , 而 2 极和 4 极电机的传统定子绕组端部比较长 , 如图 5a 所示 ,这就更增加了转子的轴向长度 ,从 而降低了转子系统的刚度 ,尤其对采用磁悬浮轴 承的高速电机十分不利. 为了减小转子的轴向长度 ,需要缩短定子绕 组的端部长度 ,一种有效的解决办法是采用图 5b 所示的环型绕组 ,使线圈边之间的连接不从端部 而是通过定子铁心轭的外部 ,这样可使绕组端部 长大大缩短 ,其不利之处是线圈嵌线工艺比较复 杂 ,需要穿绕. 图 5 　传统绕组与环型绕组端部示意图 Fig. 5 　Schematic diagram of ring winding and conventional winding a.传统绕组 　b. 环型绕组 4 　高速电机的轴承设计 411 　非机械接触式高速轴承的分类 普通的机械轴承在高速电机中应用寿命很 短 ,一般需要采用非机械接触式轴承 ,主要有三 类[10 ] : 1) 充油轴承. 通过在转动体与非转动体之间 形成一层油膜使转子悬浮 ,需要一套油循环系统. 由于存在漏油问题和损耗较大 ,因此逐渐被先进 的气悬浮和磁悬浮技术所代替. 2) 空气轴承. 空气轴承的结构原理如图 6 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 (25 nm)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 6 　空气轴承结构原理示意图 Fig. 6 　Schematic diagram of air bearing 162第 3 期 王凤翔 : 高速电机的设计特点及相关技术研究 　　　 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 3) 磁悬浮轴承. 通过磁力耦合实现定转子之 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. 412 　高速电机的磁悬浮控制 高速电机的磁悬浮技术有两种类型 ,一种是 采用与电机分离的磁悬浮轴承 (通常称为磁力轴 承) ;另一种是将电机与磁悬浮轴承合为一体的磁 悬浮无轴承电机 ,其结构示意图分别如图 7 和图 8 所示. 显然 ,无轴承电机将径向磁力轴承与电机 集成为一体 ,可减小电机的轴向长度 ,但其控制技 术比较复杂. 图 7 　磁力轴承电机的结构示意图 Fig. 7 　Structure diagram of machine with magnetic bearings 图 8 　无轴承电机的结构示意图 Fig. 8 　Structure diagram of bearingless machine 41211 　磁力轴承 磁力轴承可分为被动式、主动式和混合式磁 力轴承三种类型. 被动式磁力轴承由永磁体构成 , 不需要控制 ,但至少在一个自由度上需施加非永 磁体产生的力约束 ,否则不稳定. 主动式磁力轴承 是由通电线圈产生的电磁力实现转子悬浮 ,控制 器通过动态检测转子位置 ,调整励磁线圈的电流 控制悬浮力大小 ,实现转子的稳定悬浮. 混合式磁 力轴承是主动式与被动式磁力轴承的结合 ,通过 施加永磁体的偏磁磁场以减小主动式磁力轴承的 控制功率. 目前在高速电机中实际应用的是主动式磁力 轴承或者混合式磁力轴承[15 ] . 图 9 为主动式磁力 轴承的工作原理和控制系统示意图. 41212 　磁悬浮无轴承电机 如图 8 所示 ,磁悬浮无轴承电机是将径向磁 力轴承与电机集成为一体 ,电机的定转子不仅要 产生驱动电机转动的旋转力矩 ,而且要产生使转 子悬浮的电磁力[16 ] . 无轴承电机与传统交流电机 的结构基本相同 ,只是为了产生磁悬浮力 ,除了原 有用以产生旋转力矩的定子绕组外 ,再加上一套 与转矩绕组极数相差为 2 的磁悬浮力控制绕组. 转子可采用传统交流电机的无刷结构型式 ,如感 应式、永磁式和磁阻式等. 图 9 　主动式磁力轴承结构原理与控制系统示意图 Fig. 9 　Structure and control system of active magnetic bearings 无轴承电机的磁悬浮力产生原理如图 10 所 示. NA 和 NB 表示的是 4 极的转矩绕组 , Nα和 Nβ 是 2 极的悬浮力绕组. 如果 2 极悬浮力绕组中没有 电流通过 ,则转矩绕组电流产生的 4 极磁场是对称 的 ,图 10中所示 1和 2处对应的气隙磁通密度是相 等的 ,此时电机气隙中没有单边磁拉力产生. 当在2 极的 Nα绕组中通入一个如图 10 所示的正方向电 流时 , Nα绕组产生的磁场使2处的气隙磁通密度增 加而使 1 处的磁通密度减少 ,不平衡的气隙磁场分 布将产生单边磁拉力欲使电机转子沿α轴的负方 向运动 ;反之 ,如果 Nα绕组中通入反方向电流 ,那 么合成气隙磁场的作用将使转子向α的正方向运 动.同理 , Nβ绕组中的电流将产生一个沿β方向的 磁拉力. 因此可通过控制 Nα、Nβ绕组中的电流产 生所需要的转子磁悬浮力 ,从而维持电机定转子之 间的间隙不变. 由于需要对转矩和磁悬浮力进行解 耦控制 ,无轴承电机的控制技术要比电机与磁力轴 承分体的控制技术复杂得多. 图 10 　磁悬浮力产生原理示意图 Fig. 10 　Generation principle of magnetic levitation force 无轴承电机成为近年来国内外的研究热点之 262 　　　沈 　阳 　工 　业 　大 　学 　学 　报 第 28 卷 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 一 ,研究人员提出了多种电机结构形式和控制策 略 ,然而由于控制技术的复杂性 ,目前无轴承电机 的研究尚处于应用基础研究阶段[20 ] ,在高速电机 上尚未得到实际应用. 5 　高速电机的控制与功率变换技术 高速电动机需要采用高频逆变器供电 ,而高 速发电机输出的是高频交流电 ,需要通过电力电 子功率变换装置 ,变为用户所需要的恒频恒压交 流电. 由于高速电机的高频供电 ,电机的损耗密度 较大 ,而散热又比较困难 ,因此要求电机绕组的电 压和电流为正弦波 ,以减小高次谐波的附加损耗 , 为此对功率变换装置提出了较高的要求[17 ,18 ] . 目前高速发电机的一个重要应用领域是微型 燃气轮机驱动高速发电机分布式供电系统 ,其控制 和功率变换技术比较复杂. 图 11 为一微型燃气轮 机驱动高速永磁发电机分布式供电装置的控制和 功率变换系统原理框图.由于微型燃气轮机不能自 起动 ,机组起动时高速电机作为电动机运行 ,拖动 机组起动 ,由蓄电池通过 DC/ DC升压斩波器 (因为 蓄电池组的电压较低)和 DC/ AC逆变器供电 ,当机 组转速上升到一定值后微型燃气轮机点火 ,随着转 速的升高和微型燃气轮机驱动功率的增加 ,高速电 动机输出机械功率逐渐减小进而变为发电机输出 电功率 ,此时原来用作为高速电动机供电的逆变器 变为正弦波整流器 ,将高速发电机输出的高频交流 电转换为直流电 ,然后由输出逆变器转换为恒频恒 压的工频交流电向用户供电.此时蓄电池由放电变 为充电状态 ,因而 DC/ DC斩波器的功率流向改变 , 由升压斩波变为降压斩波. 图 11 　微型燃气轮机驱动高速发电机功率 变换系统原理框图 Fig. 11 　Power conversion system block diagram of a high speed generator driven by micro2turbine 6 　高速电机的研究展望 随着军工和民用对高速发电机和电动机的需 求 ,高速电机已成为国内外研究的热点之一. 由于 高速电机的高功率密度和高速、高频运行特点 ,涉 及到材料、机械、电磁、电力电子、自动化、检测技 术与计算机控制等多学科的前沿技术 ,因此需要 深入研究的问题很多 ,在我国尚处于起步阶段. 在电机结构上除了继续深入研究高速永磁电 机并扩大其转速和功率范围外 ,还需要研究感应 式和磁阻转子等其他结构形式的高速电机. 需要 进行高速电机电磁与机械综合设计方法研究 ,应 用电磁场、应力场与温度场耦合方法 ,分析计算电 机定转子的高频和高速损耗和温升分布 ,电机的 强度、刚度、振动和噪声. 需要研究高温高速磁悬浮轴承系统的关键技 术 ,具有冗余容错能力的高可靠性的磁悬浮轴承 系统以及磁悬浮轴承 —柔性转子系统的控制方 法. 需要进行高速电机功率变换和控制系统变流 器的拓扑结构与控制策略研究 ;供电与控制系统 运行状态监测与可靠性研究 ;高速发电机供电质 量控制技术、多机并网及与其他供电系统并联运 行技术的研究[19 ,20 ] . 参考文献 : [ 1 ] Huynh C , Hawkins L , Farahani A , et al . 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(责任编辑 :王艳香 　英文审校 :杨俊友) 462 　　　沈 　阳 　工 　业 　大 　学 　学 　报 第 28 卷 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net