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高速电机几大相关问题的介绍解答

来源:  作者:  发布时间:2024-05-28 浏览量:39

  高速、超高速的应用前景广阔但同时给电机带来了极高的挑战,我们将这些问题合并同类项后发现有六大类:散热、选型、转子结构、振动噪音、高效设计、轴承。

  高速电机它的关键问题有很多,关于每个问题我们详细的来介绍一下。

  散热是高速电机必须要面对的重要问题之一。随着电机转速的提高,电机损耗也呈现几何级数的增长,这些损耗产生的热量会导致电机温升迅速上升。为了保持高速运行,必须设计良好的散热系统。

 常见的高速电机冷却方式有以下几种:

 1. "内强迫风冷":这种方式适用于本来就有强风可利用的场合,如空压机、鼓风机、飞机电机等。通过强冷风直接吹入电机内部,带走绕组和铁芯上的热量。

 2. "内油冷":在电机必须封闭防护,或者环境中没有强风可利用的情况下,采用内油冷方式较为常见。例如,AVL设计的高速电机采用的是定子槽内油冷的方式。还有一些电机采用多种方式的组合,如绕组喷油冷却、定子油冷、转子油冷等。

 在高速电机的选型过程中,永磁电机和感应电机是常见的选择。高速电机的种类选择一直没有标准答案。一般从功率密度和效率角度出发,选择永磁电机具有优势;而从可靠性角度出发,选择感应电机和开关磁阻电机。然而,由于开关磁阻电机的振动噪音较大,应用较少。

  

  高速电机的转子结构必须克服离心应力的问题。在一般的高速范围内,采用金属护套、转子本身结构(如Ipm的鱼骨架、IM的转子结构)等方式来解决;而在超高速范围内,采用碳纤维缠绕或将转子做成实心一体结构,例如储能飞轮的电机。

  大多数永磁高速电机采用转子护套的结构,这种设计需要非常讲究,既要保护永磁体,又要防止护套失效。因此,需要尽量避免应力集中的情况。如果磁钢没有填满整个圆周,则会在护套和磁钢上都出现应力集中。这也是为什么高速永磁电机都采用完整圆环磁钢的原因,如果无法做成完整圆环,也会采用填充物将圆周填满。

  振动噪音是高速电机面临的一个重要问题。相比于普通电机,高速电机存在转子动力学产生的振动问题,如转子的临界转速和轴的偏摆振动问题。此外,高速电机还会产生高频电磁力引起的啸叫问题,电磁力频率更高、分布范围更广,容易引起定子系统共振。

  为了避免临界转速振动,高速电机的转子设计非常关键,需要进行严格的模态分析和测试。在设计过程中,需要将长径比作为优化变量。转子设计过粗短可以提高临界转速上限,减少共振的发生,但转子克心应力的难度会增加。相反,转子设计细长可以改善离心强度问题,但会降低临界转速,增加共振概率,并导致电磁功率下降。因此,转子设计需要进行反复平衡,是高速电机设计的重中之重。

  高速电机损耗随转速的提高呈几何级数增长,高损耗会导致电机效率迅速下降。为了实现高效率,必须解决各类损耗问题。以铁耗为例,为了降低涡流损耗,一般采用0.10 mm、0.08 mm的超薄硅钢片。超薄片能够降低涡流损耗,但无法改善磁滞损耗。因此,超薄片的铁耗主要是磁滞损耗。相比之下,普通片的涡流损耗占主导地位。改善磁滞损耗可以从以下三个方面入手:优化磁路设计以提高磁场正弦性、降低谐波铁耗;降低磁负荷、增加热负荷,降低基波铁耗;从材料选型出发,选择磁滞损耗较小的硅钢片。

  除了铁耗,高速电机还需要关注额外的交流损耗。这些损耗是由于高频交变磁场渗透产生的,通常出现在磁钢外、金属护套和定子绕组表面。对于磁钢的交流损耗治理,常用的方法是将磁钢分成多段,可以进行径向或轴向分段。分段能够减小涡流环流面积,从而降低交流损耗。此外,还有其他解决方案,但由于篇幅限制无法展开。

  高速电机中最高频率的磁场成分是由变频器的PWM载波引入的。由于脉冲调制的工作原理,不可避免地会产生高频电流谐波,进而产生高频磁场。高频磁场会渗透进磁钢、定子和转子表面,导致高频损耗。一些高速电机采用多电平驱动结构来改善PWM边频带谐波。

   高速电机的轴承选择是一个关键问题。一般可以选择磁悬浮轴承、空气轴承、滑动机械轴承和滚珠机械轴承。磁悬浮轴承适用于较大功率的场合,空气轴承适用于功率和尺寸较小的场合。机械轴承通常需要润滑油,在许多无油应用中受到限制。

  高速电机的关键问题和技术还有很多,需要同时解决这些问题。相比于普通电机,高速电机的门槛更高,难度更大。需要采用力-磁-热-NVH多物理场耦合的方式进行设计,这是一个新的挑战,也是一个新的机遇。