高速直流电机（精选8篇）
高速直流电机 篇1
随着科学技术的发展, 高速永磁电机在工业上的应用得到了一定程度的重视。相较于普通电机, 高速永磁电机的设计虽然仍需遵循基本的电磁原理, 但是由于其具有体积小和转速高等多方面的特点, 所以就需要解决高转速为其带来的一系列问题。而就目前而言, 高速永磁电机的设计技术的核心是电机转子和定子的设计, 而电机分析技术的核心是对电机损耗、转子强度和温升计算的分析。
1 高速永磁电机设计技术综述
1.1 电机转子设计
在高速永磁电机运行的过程中, 转子会进行高速的旋转。所以, 伴随着电机的运转, 因旋转产生强大的离心力需要转子具有一定的强度, 而因摩擦产生的高温也容易对转子的结构进行破坏。所以, 想要保证电机的稳定运行, 就需要使转子具有一定的强度的同时, 具有低损耗和耐高温的特性。而想要达成这些目的, 就需要从转子的材料和结构的设计上来进行考量。一方面, 在材料设计上, 现在通常使用的都是具有较高矫顽力的永磁材料。而之所以选择这种材料, 首先是因为材料本身具有较小的温度系数, 可以维持转子的稳定的温度。其次, 该种材料还能适应较高的温度, 从而可以用于温度较高的场合。再者, 该种材料具有较强的抗压性和抗挠强度, 可以承受一定的离心力[1]。但是值得注意的是, 该种材料的抗拉强度非常低, 因此需要采用一定的结构设计进行材料的保护。另一方面, 在结构设计上, 如今最常使用的是表贴式结构和两级圆柱永磁结构, 从而进行转子材料的保护。
1.2 电机定子设计
不同于转子, 高速永磁电机的定子是电机的散热通道。所以, 电机的大部分损耗将在定子上产生, 而转子损耗也与定子的结构和材料有着密切的联系。所以, 定子的材料与结构设计, 成为了电机研究的重点内容。一方面, 在结构设计上, 现阶段经常采用的是环形绕组的定子结构。在这种结构中, 首先, 绕组处于电机的轭部, 从而缩短了转子所需的长度, 进而提升了转子的刚度。其次, 该结构中的内外槽较多, 可以成为散热通道, 进而帮助定子散热。但是需要注意的是, 在电机高速运转的过程中, 这些齿槽会增大转子的损耗。所以, 为了降低该种损耗, 该种结构的电机通常会采用增加气隙长度的方式进行散热。另一方面, 在材料设计上, 目前最常使用的是厚度在0.2毫米以下的无取向硅钢片。而随着相关技术的发展, 软磁复合材料也得到了一定程度的关注。
2 高速永磁电机分析技术综述
2.1 电机损耗分析
在对高速永磁电机进行分析的技术中, 电机损耗分析技术是较为热门的问题。一方面, 在电机转动的过程中, 定子会产生一定的铁耗。而就目前而言, 很多学者都利用比损耗法进行铁耗的分析。具体来说, 就是按照特定频率和磁密下的定子铁耗进行电机运行过程中定子铁耗的计算, 并根据一定的经验系数进行计算结果的修正[2]。另一方面, 电机运转过程中会产生一定的铜耗, 而目前用来进行铜耗分析的是解析模型效应等方法。再者, 转子涡流损耗也是电机损耗分析的重点内容之一。而就现阶段来看, 常用于进行转子涡流损耗分析的方法是解析法和有限元法。
2.2 电机转子强度分析
为了保证转子不遭到离心力的破坏, 在进行转子设计时, 要对转子强度进行分析。通常的情况下, 进行结构简单的转子的强度分析时, 可以精确的分析出永磁体和转子内部的应力。而对结构复杂的转子进行分析时, 则要对解析结果进行简化, 并借助FEM法进行材料各项性质的分析。而在实际的分析过程中, 则要进行转子的二维轴向截面分析, 从而进行规模较小的转子强度的分析。另外, 为了保证转子拥有良好的性能, 还要对转子进行稳定性、临界转速和不平衡相应等动力学内容的分析。
2.3 电机温升计算
电机的性能与电机的温升水平有着直接的关系, 所以, 电机温升计算是较为常见的电机分析技术。而目前常用的温升计算方法有三种, 既LPTN法、FEM法和C FD法。首先, LPTN法是利用将电机温度相近的部分看成为一个节点, 从而利用热阻模拟的方式进行节点间的传热研究。而利用该种方法进行电机温升计算, 只有在节点分布的离散程度较高的情况下才更为精准。其次, FEM法是利用二维或三维方式对电机进行建模剖析, 并根据模型的各项损耗和传热条件进行电机的温升计算的[3]。而利用该种方法需要依赖于传热条件, 并且计算精度会受到传热条件的准确程度的严重影响。再者, C FD法是用来进行冷却流体流量和传热系数等参数的计算的, 而且由于该方法无需借助经验法进行系数的计算, 所以计算结果较为精确。
3 结论
总而言之, 本文在总结和概括高速永磁电机的核心技术的基础之上, 对其设计及分析技术进行了综述。而从本文研究的结果来看, 目前的高速永磁电机的设计主要是围绕着电机定转子的材料和结构来进行的, 并且取得了一定的进展。但是在高速永磁电机的分析技术方面, 人们对电机损耗、转子强度和温升计算的研究尚不够完善。因此, 相信随着科学技术的发展, 高速永磁电机的相关技术会得到进一步的完善, 从而使其得到更为广泛的应用。
摘要：在精密制造行业里, 高速永磁电机是经常得以使用的发电设备。所以, 随着航空航天等精密制造行业在近几年的飞速发展, 高速永磁电机的相关技术也得到了进一步的发展。因此, 本文在总结前人研究成果的基础之上, 首先从电机转子和定子的设计方面对高速永磁电机的设计技术进行了阐述, 然后从电机损耗、转子强度和温升计算的角度对高速永磁电机的分析技术进行了综述, 从而为关注这一话题的人们提供一些参考。
关键词：高速永磁电机,设计技术,分析技术,综述
参考文献
[1]孔晓光, 王凤翔, 邢军强.高速永磁电机的损耗计算与温度场分析[J].电工技术学报, 2012.
[2]王保俊.高速飞轮储能系统永磁电机的设计及分析[D].浙江大学, 2013.
[3]宋姝临.兆瓦级高速永磁电机冷却系统设计与传热特性分析[D].沈阳工业大学, 2014.
高速直流电机 篇2
高速路穿越；线路施工；工期短
1.施工概况
A.工程简介
因拟建广州至河源高速公路需经过€?00kV兴安直流＃2240塔位，对电力线路的可靠运行以及道路的安全使用均构成威胁，为解决高速公路建设与电力线路安全运行的矛盾，特对€?00kV兴安直流＃2238－＃2240处塔位进行改造。
€?00kV兴安直流＃2238－＃2240改造段为直流与接地极线共塔设计，直流线路按双极单回设计，导线为每极4€譇CSR－720/50,地线为两根GJ－80钢绞线，接地极导线每极2€譒GJ－630/45钢芯铝绞线。
B.施工区段跨越情况
线路区段内，共跨越架空10kV电力线路2回，架空通信光缆4回；跨越正在通行二级公路（县道）1次，乡村公路1次；跨越段内山高坡陡谷深，跨越区内为成熟经济林，树木枝繁叶茂，多处为果园区，塔位及区段内为群众祖坟所在地。
C.计划停电施工时间
共8个昼夜：2009年10月01日08时至2009年10月8日下午18时止。
D.改造段平面示意简图
2.施工任务
任务1：分别新组立2基新铁塔（一基直线塔（暂编号为新＃2239）和一基耐张塔（暂编号为新＃2238）），其中，由€?00kV兴安直流＃2238旧塔中心往＃2241塔方向前移26m处新立1基JGV371-29/30型耐张塔；由€?00kV兴安直流＃2239旧塔中心往＃2241塔方向前移112m处新立1基ZGV375-63/67直线塔。
任务2：拆除现有的兴安直流＃2238、＃2239及＃2240共3基直线塔。
任务3：不需换导线（间隔棒和防振锤均使用原线路上的间隔棒和防振锤，其他金具和绝缘子均重新采购），完成＃2237至＃2241的导地线、接地极线的重新架线安装。
任务4：2238新塔断线、紧线。
3.施工基本方法
于线路停电前完成基础施工，铁塔组立至一定高度（与地级导线有足够安全距离）后停止；停电后，按照不同塔位不同施工点工作进行分工，导线不落地，导线用滑车挂于新塔上（旧导线低于新塔横担，挂于铁塔主材节点处，以不压跨越物为准），同时旧塔上落线拆塔；新塔组立完毕，而旧塔拆除至不影响紧线后于#2238上断线、紧线。
4.施工方法和步骤
A.停电准备工作
新塔基础应已完成并通过监理及业主的验收；技术负责人会同施工负责人及有关人员到现场进行调查，拟定出最可行的施工方案，并经上级领导批准。停电施工前，应由技术负责人向全体施工人员进行技术和安全交底，明确施工要求，确定分工情况。与供电部门联系，向供电部门提出停电申请，同意后填写停电申请票。停电申请获批准后，填写停电工作票。材料负责人准备所有施工材料和工具器，确保施工过程有料施工有工具器使用。做好材料使用和调配计划，与业主协调架线材料备用品和易遗缺螺钉等。
B.停电前施工任务
基础施工，按照基础施工作业指导书，于9月15日前完成；线路地极导线最小安全距离为3m，500kV直流最小安全距离为5m（参见后表）。在直流线路带电情况下，完成如下工作：#2237旧塔，于9月29日前，布置好过轮临锚现场，挖好临锚地锚，清点和布置临锚系统工具器材料；新＃2238于9月26日前组立高度为21m，其它塔段和塔片，于地面组装并清点，无缺件，合理布置塔吊现场。现场清点并组装架线金具等材料，准备好紧线工具器。#2238旧塔，于9月29日前，准备好拆塔工具器，布置好拆铁塔现场；新＃2239铁塔于9月26日前组立高度为18m，其它塔段和塔片，于地面组装并清点，无缺件，合理布置塔吊现场。现场清点并组装架线金具，清点附件安装工具器。#2239旧塔，于9月29日前，准备好拆塔工具器，布置好拆铁塔现场；#2240旧塔，于9月29日前，准备好拆塔工具器，布置好拆铁塔现场；架线金具，导线、金具大部分用旧的，导线拉力试验应已完成。于9月28日前，按照相应施工方案和措施完成跨越区内电力线、通信线、公路、施工棚等跨越架。现场调试和演练施工，检测现场通信措施和施工力量以及设备协调。
C.停电后施工任务
铁塔组立和铁塔拆除方法：采用□500€?1m内拉线悬浮铁抱杆进行组立（见相关作业指导书），组立人员分塔片吊装组，辅材与螺栓紧固组，同时进行施工；导线、接地极线以及地线降线、升线，尽量在全线均放置于滑车内后，同时间进行，以免因为不均衡受力造成冲击等，导线和线夹受损，并造成导地线压到跨越架等；施工工序先后为：右地线→左地线→右导线→左导线→右地级线→左地级线。
跨越区段内同步施工措施：10月1日，跨越区内所有10kV电力线路，验电、接地等停电跨越施工措施同步完成，并汇报施工负责人；至10月8日停电期间全程有人监护；10月1日，跨越区段内交通道路等重要设施监控工作同步启动，并汇报施工负责人；至10月8日停电期间全程有人监护。
D.各施工杆塔位施工步骤和施工方法
#2237：10月1日，现场施工班组负责人接到现场施工总指挥苏宏盛的停电通知后，迅速进行验电、接地，验电接地工作完成后及时通知现场总指挥；在#2237大号侧打导、地线（共12根线）过轮临锚，地面准备工作于9月30日前完成；临锚线于于10月2日前完成；施工过程监护临锚措施以及临塔#2236铁塔情况；拆除#2237临锚线；接到施工现场总指挥和停电负责人确认施工任务完成人员已撤离，拆除线路接地。
#2241：10月1日，现场施工班负责人接到施工现场总指挥苏宏盛的停电通知后，迅速进行验电、接地，验电、接地工作完成后及时通知现场总指挥；施工过程监护#2241铁塔情况；安装＃2239－＃2241间隔棒；接到施工现场总指挥和停电负责人确认施工任务已完成人员已撤离，拆除线路接地。
#2238：9月30日前，按照组塔方案，采用内拉线悬浮抱杆完成20米范围内铁塔，其它塔片和构件地面组装完毕，塔材清点完成，现场布置完毕；组塔组：10月1日，接到停电验电接地完毕后，进行抱杆提升，组立铁塔15m，并于下班前完成抱杆提升一次；10月2日，抱杆提升2次，完成铁塔组立约20m；10月3日，完成地线、导线横担吊装，铁塔组立完毕，提升地线支架后同时完成地线悬挂于地线支架工作；10月1日~10月3日，完成旧塔#2238铁塔降线工作，降线必须与跨越物监护人员协调一致，用单轮 660胶轮，逐根导线（地级线）进行落线。10月4日~10月8日，旧#2238铁塔拆除工作完成；紧线组：10月4日~10月8日，紧线、跳线制作、附件安装。
#2239：9月30日前，按照组塔方案，采用内拉线悬浮抱杆完成15米范围内铁塔，其它塔片和构件地面组装完毕，塔材清点完成，现场布置完毕；组塔组：10月1~10月4日，铁塔组立完毕，螺栓紧固完毕；拆线组：10月1日~10月3日，完成旧塔#2239铁塔降线工作，降线必须与跨越物监护人员协调一致，用单轮 660胶轮，逐根导线（地级线）进行落线。组塔组：转入旧#2238铁塔拆除工作，10月5日~10月8日完成；附件安装组：10月5日~10月8日，附件安装、自检消缺工作；
#2240（旧塔）：拆线组：10月1日~10月3日，完成旧塔#2240铁塔降线工作，降线必须与跨越物监护人员协调一致，用单轮 660胶轮，逐根导线（地级线）进行落线。拆塔组：10月4日~10月8日，旧#2240铁塔拆除工作完成；
5.质量要求
＃2239-＃2241#档内导地线不允许有压接头。打过轮临锚时，要注意做好保护导线的措施，拆下的间隔棒必须保存完好。＃2241打临时拉线时，铁塔横担绑扎处必须放木头垫稳。改线段所使用的旧线在液压前必须用砂布及钢丝刷将表面的氧化层刷去，然后用汽油洗干净，并涂上导电脂。紧线安装后，原＃2237瓷瓶串不应有倾斜和线夹不得有迈步现场。其它按本工程的架线作业指导书和<<110~500kV架空送电线路施工及验收规范>>执行。（GB50233-2005）
6.施工安全措施
高速异步电机设计的关键技术分析 篇3
一、对高速异步电机设计中的散热设计
高速异步电机的散热和电机自身的发热有关, 这影响着异步电机的工作稳定性, 同时也影响异步电机的整体工作效率。电机的发热影响因素也由其绝缘材料性能和电机的使用寿命所决定, 也正如此, 高速异步电机的散热设计也成为总体才设计中的关键点, 对高速异步电机的后期运行稳定起着重要的作用。目前, 我国电机企业生产的高速异步电机在正常的运行中会有相应的摩擦损耗, 摩擦主要来源于转子和空气之间的接触, 对于这部分摩擦应重点对特殊热源进行电机的重点设计, 将散热部分的气流有效避免或减少, 从而减少空隙中的摩擦, 减少转子因摩擦产生的温度升高, 这样做会产生冷气流, 在转轴运转时, 冷气流又可以降低异步电机转子的温度, 起到降温的目的。另外, 在转子表面的热量也是由转子的升温决定的, 对转子圆周的运行速度能够由于气流温度的降低而减少轴线的运转速度。对于转子运转时与空气间的摩擦, 我国的很多电机生产企业都提出了相应的计算公式, 来计算在空隙表面光滑的前提下对定子转轴展开的摩擦, 有分析表明, 光滑的转子表面能够提高70%的交换率。因此, 为了能够达到进一步降低温升的目的, 应该在确保不影响电机转轴正常运转发热的同时, 减小电机的实际大小。
目前市面上广泛采用的封闭式的散热系统, 即在对高速异步电机进行散热设计时, 采用将循环水冷附着在转子表面的方法, 而使定子表面能够始终维持在常温状态之下。尤其是结合转子散热困难这一事实, 利用此种散热系统, 我们可以将常温乳化水作为制冷剂, 让水能够在水槽中达到循环流动降温, 这种方法就能够起到一个良好的散热作用, 同时也可以使轴承进行局部散热, 从而提高整体的散热效果。
而针对这种散热系统, 我们在实际散热设计中则应该重点注意以下几个问题:第一, 水冷系统能够将伴随着输出功率升高而不断增加的转子损耗热量带走;第二, 通过润滑油雾与转子空气之间的交换, 可以将水冷系统之中无法带走的损耗热量完全带走;第三, 在高压异步电机电磁的设计过程中, 设计人员应该充分意识到并考虑到水冷系统无法对转子的损耗散热起到根本性作用这一问题;第四, 在实际设计中, 应该在确保总损耗为定量的前提下, 尽可能加大定子损耗, 而降低转子损耗;第五, 一个良好的散热设计系统, 其根本设计要点在于如何能够确保电磁结构与机械轴承之间的温升限度同步到达。因为, 如若电磁系统与机械轴承之间的温升无法同步到达, 其中任意系统势必会出现额定温升过高的问题, 而致使高速异步电机无法正常运行。
二、对于高速异步电机设计中的轴承设计
轴承作为高速异步电机的核心部件, 对其的设计工作始终是高速异步电机设计的关键。因为, 高度异步电机的轴承使用寿命与使用性能, 直接受到轴承设计工作的影响。所以, 加强对高速异步电机轴承设计工作的分析尤为重要。特别是高速异步电机的轴承使用寿命, 与转速、转向、负载等方面也都有至关重要的联系。所以, 在轴承设计中, 应尽可能降低轴承与周边零件的摩擦, 并对其动态特性进行不断的改善, 降低电机轴承的维修成本。在轴承的具体设计上, 我们应该做到从全局出发, 而不是单单考虑最大转速所需的转矩。因为, 轴承尺寸不同, 其所需要的转速也不同。所以, 在设计上, 应该从高速异步电机的实际负载条件出发计算出适合的设计参数。并在高速异步电机的磁轴承设计上, 安装一个磁轴承单元, 电磁体环绕着每个磁轴承单元, 利用带反馈的径向位置控制器来控制电磁体的励磁电流即电磁体的径向磁力, 使转轴保持悬浮运转。
三、对高速异步电机设计中的电磁设计
高速异步电机的实际供电频率在几百至几千赫兹之间, 而随着频率的不断提高, 铁心自身的损耗也会不断加大, 并在电机总损耗中占据较大的比重。尤其是高速异步电机相较于普通异步电机其转速更快, 因此在旋转过程中离心力也是越来越大。而在额定运行中转子材料又会受到很大的切向力, 所以做好磁性材料的选择在高速异步电机的电磁设计中尤为重要。
目前, 在高速异步电机电磁设计中, 电磁材料通常采取以下三种方案:第一, 为了进一步降低铁心损耗以及其在低磁场强度下产生的高饱和磁通密度, 对定子铁心的材料选择上, 通过采用各向同性为3%硅含量的0.18MM厚的硅钢片, 并采用软磁合金叠装在转子铁心上。第二, 采用软磁合金材料在定子与转子铁心材料上。可以说在高速异步电机的电磁材料上选取高强度的软磁合金———钴铁合金是十分优质的选择。虽然钴铁合金比较昂贵, 但是经过特殊的热处理, 此材料的屈服强度甚至可达到600m N/m2且电池性能良好。因此, 在高速异步电机的应用上能够取得十分优异的效果, 目前钴铁合金已经应用到航空电机之上。同时, 还有一种全新的材料———非晶态磁性材料, 在近些年来也被广泛应用于高速异步电机之中, 可以说相较于晶态合金材料而言, 其电阻是晶态合金材料的3到4倍, 薄度却仅在0.03到0.05mm之间, 具有非常优质的软磁特性。但是与硅钢片相比, 其缺点则主要表现在:饱和磁感应强度和铁心占空比系数较低;机械加工性能又较差, 在高温状态下自身的性质也不太稳定。第三, 为了进一步提高定子铁心强度、刚度以及均匀度, 在设计中可将采取传统叠层结构的硅钢片或软磁合金材料设计成实心。
四、结语
高速异步电机早已广泛应用于工业生产中, 而对其关键技术的设计工艺则始终是我国电机生产企业, 电机科技人员研究的重点, 尤其是目前对高速异步电机的设计早已不局限于工业技术, 而是扩散到了多个相关领域。因此, 加强对高速异步电机设计关键技术的研究与创新则尤为重要。所以, 在今后的工作中, 对高速异步电机的设计必须要不断与时俱进, 借鉴国外先进的关键技术发展水平, 不断创新发展, 生产出高效高质量的高速异步电机, 为企业带来更高的经济效益。
摘要：随着我国电机行业的快速发展, 高速异步电机在企业生产中具有重要的位置, 作为一种常见的电机设备, 高速异步电机也深受广大企业的关注和重视, 也频繁被应用于企业的生产中。对于高速异步电机的设计也应从企业生产的角度考虑, 应适应多行业的生产和应用。对于电机行业中高速异步电机的设计和生产, 多数是通过转子等高速运转设备完成的, 在这些关键部位的设计上应进行重点分析。本文结合我国高速异步电机的关键部位进行分析和探讨, 主要介绍其在设计部分的关键技术, 以供参考。
关键词：高速异步电机,散热设计,电磁设计,轴承设计
参考文献
[1]李立毅, 崔淑梅, 宋凯, 程树康.高频电主轴的发热及其对策[J].微电机 (伺服技术) , 2000
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[4]李冰, 邓智泉, 严仰光.高速异步电机设计的关键技术[J].微特电机, 2002
高速直流电机 篇4
随着高速电机行业的发展(一般认为超过12000转的速度属于高速电机),为高速精密电机提供供电方法也在逐步改进中,从七十年代到现在依次经历三个阶段,分别是从早先的变频发电机组供应高于市电的几百赫兹电源到变频器供电,再变化为专用的变频电源提供1200Hz以内电,电源正向着小型化和智能化发展。
近来笔者在实际工作中,设计和制造了一种新型中频电源,尝试为客户提供一种新的中频电源解决方案和产品。
方案设计
1、 产品的结构分析
图1是两种中频电源设计架构的示意图,图1上方是一种原来用变频器组装结构,图1下方是我重新设计后的结构。
原来的设计是变频器输出220伏,然后用中频变压器在按照4:1变压比降低电压变成需要的55伏,这样的结构使得体积和尺寸重量都非常大,与国际潮流差距太远 ( 见图2)。这是原来用变频器做的结构,体积庞大 / 和国际潮流差距很远,通过改变设计架构,我们设计思路,改为220伏电源用开关电源直接输出90伏直流,然后用低压变频器(60伏输入)可以直接输出55伏电源从而与电机线圈相连,这样电机的速度状态,可以直接测量,对于变频器识别电机参数有极大的好处。图3这是我们新做国际潮流,一体化, 轻便化电源。
2、产品的设计思路及性能分析
2.1电压和输出频率的关系
目前由于普通变频器,无法设定太多的转折点,就是V/F比例基本是一个斜率上升电压和频率,载频也是固定不变的,导致无法用变频器实现在不同加速阶段,设定不同的电压频率及载频。只能用一个斜率上升,从开始到最终电压55伏就是一个载频。
图4是新设计的电压和输出频率关系曲线。
新专用电源依靠DSP芯片的强大计算和控制功能,可以把电压精度控制的非常好。在加速过程中,设置7个加速点,逐点精确计算加速时间和到达电压值,保证电机的电流最小,上升最平滑。
2.2载频值对于电机和电源输出部分模块的影响分析
低压变频器它的电压输出波形假设用示波器放大来看其实是一系列脉冲,脉冲的宽度和间隔均不相等。其大小就取决于调制波和载波的交点,也就是开关频率。开关频率越高,一个周期内脉冲的个数就越多,电流波形的平滑性就越好,但是对其它设备的干扰也越大同时模块发热越重,载波频率越低或者设置不合理,电机就会发出难听噪音。
通过调节开关频率可以实现系统的噪音最小,波形的平滑性最好,同时干扰也是最小的。 这是一个经验值的组合,最后选定在15K载频是最佳组合。在这个值,中频电源模块发热不大,电机发热最小,同时电机电流也最小,电机的平稳性和噪音也最低。
2.3电机输出转矩电流和频率及载频三者的关系
在高速电机启动时,从速度1到速度2,在加速中,初始启动电流会比较大,在3倍过载,此时要控制输出电压值, 保证启动时有足够的力矩,同时要使用比较小的载频,使得电机有个比较大的启动力矩,随着电机速度的提高,载频逐步增加,但是始终控制电流的大小在2倍过载值,直到最高速度。
2.4载波频率与电动机的振动
电动机的振动原因可分为电源与机械两种,这里暂且不谈机械原因,只就电源原因导致电机的振动作分析 :
(1) 由于较低次的高次谐波分量与转子的谐振,其固有频率附近的振动分量增加导致振动。
(2) 由于高次谐波产生脉动转矩的影响发生振动。
(3) 当采用变频器后在相同600Hz频率下工作时,载频10k Hz振动值远远大于15k Hz载频,一般15k Hz载频震动计测量振动值是1um,这个符合高速电机的震动行业标准要求。
3、新电源增加对于电机转速跟踪和模糊逻辑控制电机失速的保护
在高速电机行业,由于断电或者机械设备故障从新启动,原来就是个比较大的难题,因为负载在高速运行中,由于摩擦力很小,难以在短时间内停止(一般是十分钟以后才能完全停止),从而使得工人等待电机停止,或者部分下道工序无法进行,造成浪费人工及产品废品率很高。
本电源有如下特殊转速跟踪功能改进,在任何电机速度下都可以直接测出电机速度,电机转子频率的搜索有方法如下:
可称之为定子输入恒定额定电流的V/F曲线电压比较法 ,自上限频率向下搜索时始终保持定子为恒定额定电流, 比较变频器输出电压与V/F曲线上的电压值,二者相等时意味此时的输出频率就是转子频率,从而测出电机转子的频率 --- 就是转速,实际测试中不超过5秒钟的测速过程,非常令客户满意。
失速宝华:在运行中,一旦发现电机失速,马上降频, 降到电流比较小的一个合适值,这个值预先设计的芯片中, 一旦核对好了就在此赫兹数震荡运行,一直保持一个低的电流加速上升,从而最终到最高频率,从根本上保证电机的不烧毁及机械部件没有损坏。一旦降频到了最低100赫兹以下,就自动停机报警。
4、人机沟通
目前采用了液晶汉化处理,把包括电机型号做了数据库处理,使得客户可以傻瓜式选择,方便人际交流。
高速磁悬浮电机的发热与冷却研究 篇5
由于转速高、 功率密度大、 无励磁损耗等优点, 高速磁悬浮电机受到工业界的广泛关注。高速磁悬浮电机主要有以下几个特点:①采用的是实心转子, 并由磁悬浮轴承支撑;②转子采用永磁体, 加工成本和机械健壮性要优于叠片转子。这里的健壮性是指产品质量特性对各种干扰因素的不敏感性, 电机的机械特性波动越小, 电机的抗干扰能力即健壮性就越好。③转子高速旋转, 转速高达每分钟数万转甚至十几万转。然而高速磁悬浮电机也会因为设计不合理, 导致电机定子和转子温度过高, 影响电机的效率。如果转子的温度过高, 还可能会导致转子永磁体不可逆失磁[1]。本文根据上述高速磁悬浮电机的特点, 为保证电机的长时间安全运行, 准确计算了电机的损耗和温升, 合理地进行了电机的设计。
1 高速磁悬浮电机定子温度场计算模型
1.1电机定子稳态温度场数学模型
一般来说在电机稳态温度场研究中可认为一、二、三类边界条件并存。这样电机三维热传导问题可以表述为完整的边值问题, 其稳态温度场的控制方程为
式中, α为散热系数;Tf为介质温度;T0为一类边界温度;q0为二类边界上的热流密度;qv为热源。
式 (1) 为温度场的控制方程即问题区域;式 (2) 、式 (3) 、式 (4) 分别为一、二、三类边界。其中一类边界条件是已知任何时刻物体边界面温度值, 二类边界条件为已知任何时候物体边界面上的热流密度值。
由式 (1) 可知, 热源qv是求解电机温度场时不可缺少的参量。它与电机各部分的损耗有关, 并且高速磁悬浮电机的损耗计算和传统电机的损耗计算有很大的不同。由于电机的损耗和温升有直接的关系, 所以准确计算电机的损耗对于高速磁悬浮电机温升和冷却研究来说至关重要。
从总体来说, 高速磁悬浮电机的损耗可以分为摩擦损耗、铜损耗、铁损耗及各种附加损耗等。附加损耗主要体现在高次谐波、漏磁通和端部漏磁通等。摩擦损耗主要体现为机械摩擦损耗和风摩擦损耗。
1.2高速磁悬浮电机定子的铜损耗
电机的线圈采用绝缘导线并联, 该导线在150℃时电阻率为2.67×10-2Ω·mm2/m。在计算电机的铜损耗的时候忽略绕组的涡流效应。根据样机在400Hz空载情况下的相电流 (10A) , 定子绕组的铜损耗可简化表达为
PCu=3I2R (5)
式中, R为电机中铜线的电阻值;PCu为空载情况下电机的铜损耗值。
经过计算所得的样机空载铜损耗值约为5W。
1.3高速磁悬浮电机定子的铁损耗
根据铁磁材料在交变磁场作用下产生损耗发热的机理不同, 以及铁损耗分离理论, 铁损耗一般分为三部分, 即磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗。其三者之和构成电机的总体铁损耗, 即
pFe=ph+pe+pex (6)
式中, pFe为单位质量铁心总损耗, W/kg;ph为单位质量磁滞损耗, W/kg;pe为单位质量涡流损耗, W/kg;pex为单位质量涡流附加损耗, W/kg 。
高速磁悬浮电机样机电流频率一般不超过700Hz, 其定子铁损耗包括涡流损耗和磁滞损耗, 可以忽略涡流附加损耗。如果分别计算涡流损耗和磁滞损耗, 那将非常复杂, 可以根据交流电机的铁损耗简化公式进行计算, 即
式中, cFe为修正系数, 用以修正由于磁轭中磁通密度不均匀、气隙磁通非正旋以及加工等引起的损耗增加值;kFe, 0为在ω0角速度、B0磁通密度下, 每千克硅钢片的铁损耗值;GFe为硅钢片的质量;ω0为额定转速;B0为最大磁通密度;ω为转子角速度。
式 (6) 只适用于电流频率在400Hz以上的交流电机。由于电机叠片钢厂商很难提供高频下的损耗值, 所以必须实际测量电机定子叠片钢在高频下的损耗值。
本文用不同厚度、不同取向的硅钢片, 分别制作了4个单相变压器。由于有取向的硅钢片材料不同方向的磁导率不同, 故4个变压器分别采用0.08mm有取向硅钢片、0.08mm无取向硅钢片、0.15mm无取向硅钢片和0.23mm有取向硅钢片制作而成。经过测量得到了变压器空载情况下的损耗值。从而可以得到电机定子铁心的损耗值, 借此可以分析出影响电机定子铁损耗的材料因数。通过实验将以上4种不同材料制成的单相变压器分别通入正弦交流电, 频率为400Hz。测得在该频率下的空载损耗, 得出以上4种材料每千克的空载损耗值依次为:21.7W/kg、18.9W/kg、21W/kg、24.9W/kg。从测量所得的数值中可以看出, 在影响电机定子材料铁损耗因素中, 材料的取向影响因数较大, 材料的厚度影响次之。分析实验数据可以发现, 在相同的400Hz频率下, 0.08mm厚度的有取向的硅钢片如果叠片方式按照取向方向叠压, 其损耗值比混合向叠片无取向大2.8W/kg。根据以上结论, 在设计高速磁悬浮电机, 并考虑工艺的情况下, 应尽量选择薄的无取向的硅钢片制成其定子铁心。如采用有取向硅钢片为定子铁心材料, 建议采用混合叠片工艺。样机在400Hz空载情况下的铁心损耗约为120W。
2 高速磁悬浮电机转子损耗计算
2.1转子表面风摩擦损耗
高速磁悬浮电机的转子内部是稀土永磁体, 外部护套采用的是高温不导磁合金, 其结构如图1所示。
由于转子是由磁轴承支撑的, 所以忽略转子的机械摩擦损失。而转子圆周表面的风摩擦损失与转子的表面粗糙度、转子的转速以及转子周围气体的性质有关系。根据以上的关系, 转子表面风摩擦损耗可以表示为:
P=Rakcfπρ ω3r4L (8)
式中, Rak为转子表面粗糙度, 表面光滑时为1;cf为摩擦因数, 其值取决于速度和气体的性质;ρ为气体密度;r为转子半径;L为转子长度。
由于转子旋转会引起转子表面空气切向摩擦, 因此引入径向雷诺数
式中, μ为气体的动态黏度。
由于转子冷却通风会引起转子表面空气轴向摩擦, 因此引入轴向雷诺数
转子两端引起的摩擦损耗可表示为
式中, cf1为摩擦因数, 其值取决于气体的速度和气体的性质。
由于研究中使用的电机转子表面光滑, 所以本文转子端面的粗糙度Rak取1。高速磁悬浮电机的转子表面的摩擦损耗和径向磁力轴承转子表面的摩擦损耗可作为圆柱体表面处理, 用式 (8) 计算;高速磁悬浮电机转子端部和轴向磁力轴承端面可作为圆盘处理, 用式 (12) 计算。在400Hz时转子的表面摩擦损耗为50W。
2.2转子护套涡流损耗的有限元计算
电机转子涡流损耗主要是由定子电流的时间和空间谐波, 以及定子槽开口引起的气隙磁导变化产生的。其中电流时间谐波引起的损耗主要取决于控制策略 (如是否采用脉宽调制PWM) 。电流空间谐波引起的损耗和气隙磁导变化引起的损耗主要取决于电机的定子结构以及槽开口的大小、气隙的长度等。在高速磁悬浮电机中转子涡流损耗一般较严重, 且转子散热较困难, 因此, 必须采取措施降低转子涡流损耗, 以避免电机永磁体因温度过高而失磁。最好的解决办法是在电磁机械能量转换的过程尽可能消除谐波, 从而减少谐波损耗, 减少发热。图2所示是用有限元方法分析出的12槽样机转子在空载运行情况下的转子温度分布情况 (由于对称性, 只取了转子的十二分之一) 。由图2, 可以看出电机转子护套及转子永磁体发热很严重, 所以必须详细分析影响电机转子护套发热的原因。
2.3转子涡流损耗的解析法模型
为了比较直观地分析影响转子护套发热的原因, 本文采用一种在直角坐标系下的解析计算方法进行分析。根据文献[1]的方法, 并结合本文中磁悬浮电机结构, 剖析了定子谐波电流引起转子涡流损耗和电机转子护套发热的原因, 并针对其原因提出了如下解决方案:
(1) 解析模型处理。沿着定子内圆展开作为边界, 边界上加一行波电流层, 此电流层为等效面电流层, 是由电机的空间和时间磁动势产生的, 且其接近定子绕组的谐波电流。根据磁悬浮电机的结构作出的等效示意图如图3所示。
图3中的l、g、c分别为定子等效电流层、气隙层和高温不导磁合金层。等效电流层的表达式为[2]
J (x) =J0ejnkxejmωjbt (13)
k=2π/λ
式中, J0为各次谐波电流的峰值;n、m分别为空间和时间谐波的次数;ωjb为电机定子绕组中基波电流的角频率;k为波数;λ为波长。
(2) 根据麦克斯韦等式、泊松等式和拉普拉斯等式, 采用磁矢量A, 分别导出各个区域的方程。等效电流层区域的方程为
∇2Aw=-μ0J (14)
气隙区域的方程为
∇2Aair=0 (15)
不导磁高温合金区域的方程为
∇2Agh-jmωjbμ0σcAgh=0 (16)
永磁体区域的方程为
∇2Anf b-jmωjbμ0μrσnAnf b=0 (17)
式中, μ0、μr、σc、σn分别为气隙的相对磁导率、永磁体的相对磁导率、高温不导磁合金层的电导率、永磁体的电导率。
各区域边界条件为
每相电流表达式的值为[3]
式中, z为时间谐波的次数;Iz为第z次时间谐波的峰值;Iz, ph, pk为z次谐波的相电流的峰值;N为每项并联数。
由电流值可以知道磁动势的值, 从而可推导出电流层峰值:
式中, kwn为绕组系数;kpn为节距系数;kdn为谐波分布系数;ξ为线圈节距比;Δ为齿槽距电角度;cφp为每相每极线圈数;tc为线圈的圈数。
由坡印廷定律可以计算出电机转子永磁体和护套的电磁损耗, 其表达式如下[3]:
由以上表达式可知, 电机转子损耗和定子绕组电流的时间谐波z和空间谐波n有关, 而时间谐波和变频器输出有关, 空间谐波和电机的开槽、气隙的大小等有关。所以为了减小电机中的谐波电流, 必须合理设计电机定子和转子结构。
3 减少谐波损耗降低温升的措施
根据以上解析法的分析, 针对使用的变频器输出存在丰富的时间谐波这个问题。采取在电机输入端加一个感抗器, 从而减小电机的谐波电流[4]。实验表明, 当接入感抗器的时候, 电机输入波形更加平滑, 电机的温升得到很大的改善。
图4、图5分别为电机输入端加感抗器前后示波器显示的输入电流波形图。
从图4可以看出, 电机在加感抗器前, 电流输入波形含有丰富的谐波分量, 而增加感抗器后电机的输入波形明显要优于不加感抗器时的波形。说明时间谐波对电机的损耗影响很大[3]。所以在设计电机的时候, 必须要考虑输入电机电流的时间谐波问题。
对于电机的空间谐波问题可以从电机的本体设计来改善。由式 (18) 可知, 影响谐波电流的因素还有kwn绕组系数, 而绕组系数又与节距系数、谐波分布系数有关。因电枢铁心表面开有槽, 使得气隙磁通的波形会受到电枢齿槽的影响 (齿下气隙较小, 磁导大;而槽口处气隙较大, 磁导小) , 从而影响电枢绕组电动势波形, 产生较强的齿谐波。考虑以上的因素, 适当选择绕组元件的节距使某次谐波的节距系数接近于0, 便可达到消除或减弱该次谐波的目的。电机的槽数越多, 齿的谐波次数就越高, 其影响就越小。除此之外还可以考虑使气隙磁场的分布波形尽可能接近正弦波, 采用对称的三相绕组, 以减少电流不对称引起的损耗等[5]。
通过以上的结论, 对两个不同定子参数结构样机 (表1) 进行比较, 其中定子结构分别如图6、图7所示。
通过对两个电机的温度测量, 可以得出当两电机在400Hz空载运行、稳态运行相同时间的时候, 12槽电机转子温度达到90℃以上, 而24槽电机温度仅为40多℃, 24槽电机温度显著低于12槽电机温度。可见合理设计高速磁悬浮电机的定子结构, 对降低电机温升的控制非常重要。
4 结论
(1) 采用有限元的方法建立了高速磁悬浮电机定子在稳态下的温升模型。分析了不同厚度不同取向定子铁心材料的损耗情况。
(2) 用有限元的方法计算转子护套的电磁损耗情况, 并且用解析法详细地分析了转子涡流发热的机理。得出在不同的定子结构、槽开口的大小以及气隙长度下计算转子损耗的方法。
(3) 针对电机谐波影响损耗的问题, 提出了一些解决方案, 并通过实验验证了这些方法的有效性。
(4) 针对高速磁悬浮电机损耗影响电机的温升问题, 通过改进电机结构和输入电流波形, 有效地减少了谐波损耗, 降低了电机温度。通过设计的12槽电机和24槽电机对比, 得出了电机的时间谐波和空间谐波对电机的损耗影响很大。研究结果还表明, 随着输入电流时间谐波的减少、槽数的增加、气隙的增大, 转子损耗随之减少。
参考文献
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[4]肖湘宇.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社, 2004.
高速直流电机 篇6
1 低温超导体
与铜线相比, 在电机工业领域应用超导体的优点是: (1) 电流密度可提高10倍; (2) 励磁绕组的安匝数也可提高10倍; (3) 电机的有效部分 (铁心—铜线) 的利用率可提高3倍; (4) 电机容量可提高5～10倍; (5) 体积可减小一半; (6) 重量可减小1/3; (7) 效率可提高到99.7%; (8) 成本大幅度降低。
超导电机的开发应用, 被国际大电网会议公认为是旋转电机领域的“四大进展”之一。世界最早开发超导电机的是美国 (1965年) , 直到80年代, 已扩大到英、法、日、德、俄、瑞士、捷、意、奥、中等10多个国家。比较集中的战略目标是1000 MVA以上的超大型电机。虽然各自取得不同的进展, 但还是纷纷停止了研制 (只有日本坚持不懈, 由超导委统筹东芝、日立、三菱3个最大公司合作开发成功70 MVA的同步电机) 。其主要原因如下: (1) 全球市场需求发生重大变化, 高效节能环保的联合循环电站中小型和性价比更高的机组很受用户欢迎, 而不是大型机组。 (2) 低温超导体的液氦深冷装置费用昂贵、技术复杂、难度较大、需时较长, 而且容易发生“失超” (失去超导性能, 导体电阻不再接近于零) 现象。
在旋转电机领域, 容量最大的和结构最复杂的就是同步发电机。现代透平发电机的尺寸受到太多的挑战。额定转速已经高达3600 r/min (60Hz) , 还要经受1.2倍的过速考验。即便如此, 设计寿命高达40年的这种电机还是通过了高可靠性运行的考验。西门子公司于1970年开始低温超导材料的开发应用。80年代末期, 研制的采用液态氦来深冷励磁绕组的低温超导电机容易发生“失超”现象, 而且结构复杂、效率低下, 影响市场销售, 所以暂停研发。
低温超导体是在“深冷”状态下的超导体, 其直流电阻几乎接近于零, 没有铜损, 可以极大地提高电流密度、安匝数、磁通密度。由于磁通密度很大, 可以不再需要导磁的转子铁心, 而采用非磁性材料来支撑、固定超导励磁绕组, 构成无铁心的转子;至于定子电枢绕组, 承载的是高幅值交流电, 只能沿用铜线。而-定子铁心, 同转子一样可以采用非磁性材料来支撑、固定, 构成无铁心的定子。采用这种非导磁铁心材料 (金属或非金属均可) 的超导电机磁通密度很大, 功率密度也很大。但应注意:由于取消了导磁铁心及其齿部, 磁通的径向分量将不再经由“齿部”的引导而沿径向流入。此时, 电磁力的作用既有径向的变化, 还有切向的变化。为了减小这种高功率密度超导电机的涡流损耗, 必须采用股线的完全换位。
2 高温超导体
与低温超导体相比, 应用高温超导体的优点是: (1) 低温超导体的温度必须采用液氦来制冷 (可达4 K) , 费用昂贵;而高温超导体则可采用廉价 (价格降低到1/30) 的液氮来冷却 (可达77K) ; (2) 在致冷装置的冷却能力方面, 液氮的输入功率与冷却功率之比为10, 而液氦为500, 由此可见液氮的深冷效率可提高50倍, 而致冷装置的造价却降低到1/15; (3) 与液氦比, 液氮的排热、散热能力提高到62倍, 而蒸发热量的价格却减小到1/1900; (4) 超导线圈所需致冷能量可减少到3%。
高温超导体可以通过烧结陶瓷材料很容易得到。将其成分中的氧化物和碳酸盐粉末混合后压制在一起, 并在纯氧中加热到900℃～1000℃时烧结而成。它的电阻消失并具有超导性能时的临界温度约为90K, 临界磁场约为150T, 临界电流密度可达105A/cm2 (77K) 。它的晶体结构为层状, 具有各向异性。它的临界温度对氧的含量非常敏感。它的最佳组成为YBa2Cu3O7。
3 高温超导电机
高温超导体的出现, 带动了超导电机开发的新高潮。此时, 发展目标有了重大转折, 不再是巨型电机, 而是220 MVA左右的中小型电机, 以适应联合循环电站的需求。特别是俄国, 不仅是转子励磁绕组, 就连定子电枢绕组也采用了高温超导励磁绕组, 被称为全超导电机。虽然成本要高, 但电枢重量却可减轻一半。
虽然高温超导体已在电力工业领域的变压器、电力电缆、限流器、超导蓄能等方面比较普遍应用, 但是要在电机、特别是高转速同步电机上应用就难度很大, 因为它是旋转机械, 为了验证高温超导电机的可行性, 近年来德国西门子公司研制了一台400KW (50Hz) 的4极1500r/min高温超导同步电机, 其高温超导线圈通过液氮的热虹吸冷却过程被制冷到其工作温度 (25K) , 并保持这个温度。制冷压缩机功率为6kW。电机效率为96.8%。
在这台中间机组所取得的经验基础上, 又针对大型海军舰船制成了燃气轮机驱动的“2极”高速高温超导透平发电机, 它是世界上容量最大的这种电机。其高温超导扁平绕组采用Bi2223带制作, 额定功率4MVA, 频率60Hz, 转速3600r/min。转子致冷系统包括3个冷却器, 冷却功率各为45W。正常运行时, 只需2个即可, 第3个冷却器会使“裕度”增加2/3.转子采用旋转的低温屏蔽罩, 以便将转子2极铁心 (转子仍用铁磁性材料) 上的高温超导体励磁绕组与外界隔离。作为冷却剂的液态氮, 应用热虹吸原理来完成冷却过程, 并将转子降温到高工作温度 (25K) , 然后保持这个温度。由于致冷而散发的热量, 则由能够承受力矩的“传输管”来输出。定子电枢绕组采用空心结构和空气冷却方式。导磁的定子铁心齿已被非金属材料制成的支撑结构所代替。电枢绕组采用小直径股线和完全换位的结构工艺, 以便减小涡流。这台高温超导同步电机, 在发电机和电动机2种运行模式下都通过了考验。测量结果表明, 电机效率达到98.7%, 比常规电机高出2%。此外, 电机的噪声和振动也非常小。
这台高温超导同步电机之所以被用于大型舰船, 是因为它具有较高的功率密度、较小的体积和较大的无功功率输出能力。由于舰船属于脱离大型电网系统的独立电网, 就必须考虑到系统的稳定性。作为发电机或电动机运行时, 其有功功率与频率之间以及无关功功率与电压之间都必须达到和保持平衡和匹配。为了保持频率和电压恒定, 必须提供足够大的控制裕量, 才能允许波动。无论是作为舰船上的推进驱动、喷水驱动, 还是作为舰船上的导弹、鱼雷等的发射器驱动, 这种电机因为体积减小而获得许多好处:舰船可以节省占地空间、增加燃料、延长航程、利于环保。与常规的柴油发电机组相比, 采用燃气透平机驱动的高转速的这种高温超导发电机的重量可以减小到1/4～1/8。此外, 大功率透平机驱动时, 透平机发出的有功功率往往会超出发电机的容量, 为了利用这部分超出的功率, 发电机也可以在允许范围内提高有功功率运行, 然而在“过励”工况下, 却不能保证需要的功率因数。此时高温超导同步电机可以提供无功功率。与常规空冷转子不同, 由于采用超导转子, 没有冷却空气把热量从转子带进气隙, 大幅度减小了气隙中的风损, 从而也有助于发电机有功功率的提高。
与早期开发的低温超导电机相比, 高温超导电机只需极小的冷却功率, 因而能使冷却系统变得体积更小、结构简单、效率更高。此外, 还由于高温超导体的工作温度较高, 因受热干扰而发生“失超”的可能性也大为减小, 所以其运行稳定性很高。
4 标准化系列化
研制成功这台“2极”高速高温超导透平发电机以后, 便开始实施标准化和系列化设计。此时, 只需验证一种装有高温超导励磁绕组的标准转子即可, 与其配套的定子则可以是新设计的, 也可以是已经成型的常规设计的各种定子, 其容量范围可达150～900 (MVA) 。如果容量更大, 只是瞬变电抗和超瞬变电抗稍有不同。只要改变转子的有效长度和高温超导体的体积, 便可调整转子来满足各种电机容量的要求。虽然转子采用常温锻造铁心, 但却没有齿/槽, 与透平发电机的隐极转子表面不同, 反而与凸极转子表面相似。
高温超导电机的关键部件是高温超导绕组, 然而高温超导体线材已经实现商业化生产, 原材料来源不是问题。需要注意的是:励磁机的电压不仅受到励磁机本身的限制, 还受到集电环、电刷等部件能够传递电压的最大值和高温超导励磁绕组绝缘强度的限制。因为超导励磁绕组电阻接近于零, “铜损”可以忽略不计, 此时的励磁电压等于“电感”与“励磁电流相对于时间的变化率”之积。对于大容量电机励磁绕组匝数很多, 电感很大 (电感与匝数的平方成正比) , 当励磁电压受到限制时, 只有限制“励磁电流相对于时间的变化率”, 这就不能很快地达到所需要的励磁电流。这是励磁系统方面今后的课题。
如果在常规电机上进行改造以便采用超导励磁绕组, 还要注意到:不能应用单根超导线绕制, 因为高温超导线可承载的电流最大为250～350安培 (是77K温度下的2倍) , 而常规电机高达几千安培。为了解决这个问题, 可以采用组合的超导线进行并联, 实施罗贝尔换位, 并用树脂浇铸, 使每股导线的电磁感应都相等, 避免导线间电流的不均匀性而引起的性能下降。同时还使电感大为减小, 可以实现快速调节励磁电流。
5 结论
最近的国际超导工业高峰会议指出, 作为21世纪具有重大战略意义的高新技术, 超导电力科技将会出现大规模开发应用高潮。高温超导体的工业化生产和商业化普遍应用, 推动了超导电机、特别是高转速燃气透平发电机的发展。在满足当今世界热门的联合循环电站的需要, 以及海军大型舰船的需要方面, 它都发挥了重大作用。
摘要：取代低温超导体以后, 高温超导体实现了工业化生产和商业化推广, 已普遍用于电力工业。高温高速超导透平发电机的开发应用, 在满足市场热门的联合循环电站的需求和国防工业海军大型舰船的需求方面, 具有战略意义。
高速直流电机 篇7
高速电机的转速非常高, 而且其功率的密度非常大, 其几何尺寸小于其输出功率相同的低速电机, 这些特征使得它在工业领域受到了广泛的关注和应用, 比如说高速磨床高速飞轮储能系统以及在污水处理中采用的高速离心压缩鼓风机, 这些都是高速电机在各个应用领域的具体体现。在之前的电机运行中, 如果人们想要得到较高的转速输出, 就要先将之前的电机齿轮箱的变速达到能够提高变速的作用, 我们需要注意的是, 齿轮箱的体积是非常大的, 而且会出现很大的噪音, 其使用的寿命也不是很长, 因此齿轮箱会在一定的使用时间内降低系统的整体效率, 但是如果我们使用高速电机, 就会不再使用齿轮箱这一环节, 这样就会减少系统的整体体积, 最重要的是能够在一定程度上提高系统的效率。也正是由于永磁无刷电机的结构非常简单, 无励磁损耗、效率高等特点, 使得永磁无刷电机非常适合高速的场合。
2 高速永磁无刷电机的应用
2.1 在电动汽车中的应用
现阶段汽车行业的发展是推动整个社会现代化进程的一个非常重要的动力源泉, 但是汽车工业的快速发展和它对环境的污染速度是成正比的, 尤其在我国特别明显, 汽车行业的市场日益扩大, 环境污染和能源消耗的问题就越来越严重, 因此, 电动汽车逐渐受到了人们的广泛关注, 而电动汽车当中的电机应该具备较高的转速, 高启动的转矩, 而且要在较大功率的范围内始终能够保持很高的效率。而永磁无刷电机就具有上述的特点, 因此它也受到了广大汽车行业研究者的关注和研究, 目前已经在一些电动汽车中得到了实际的应用。
2.2 在分布式发电系统中的应用
目前主要的电力能源生产和分配的方式是集中发电以及远距离输电, 但是这种输电的方式在我国的电力系统分配当中是存在一定缺陷的, 造成这种情况的主要原因是因为我国的面积非常广阔, 因此我国能源的分布形式也是非常不均匀的, 而且不同地区的经济发展情况也是有着很大的差异, 这样也就造成了我国电力输送的成本增加的情况, 所以在生产和使用的时候就出现了不平衡的现象, 针对现阶段的这种情况, 能够有效解决这一问题的方法就是使用分布式发电供电系统来作为一个辅助系统, 这一辅助系统主要是由内燃机以及储能装置等构成的, 而我们所说的高速永磁无刷电机的效率是非常高的, 而且在实际的运行当中也体现了其可靠性的一面, 非常适合中小型高速发电机的使用, 这也使得高速永磁无刷电机在分布式发电供电系统当中显示了其价值, 使其有了更加广阔的应用空间。
3 高速永磁无刷电机设计的关键性问题
转子结构按照永磁体安装的方式可以分为三种, 一种是安心永磁体结构, 第二种是永磁体表贴式, 第三种是永磁体内嵌式。一般永磁体实心结构是将永磁材料制成一个圆柱的形状, 利用高强度非导磁钢护套通过盈配合将永磁体整体包裹起来, 这种结构是没有轴的, 因此需要将永磁体护套与芯轴焊接在一起来传递转矩。永磁体要采用整体结构平行充磁, 因此具有较好的电磁特性。而永磁体表贴式结构可以做成一个整体的环形空心形状, 当采取这种结构的时候, 永磁体可以采用平行充磁的方式。永磁体内嵌式结构是将永磁体整个埋入了铁芯的内部, 这样整体的结构就会非常的坚固, 也就能够承受高速运转时所出现的离心力。
实心永磁体结构和永磁体表贴式结构都具有非常好的机械对称性, 可是由于永磁材料能够承受的拉应力是有限的, 所以工作人员在运用的过程当中, 为了能够有效地防止永磁体在高速旋转的时候不会出现破坏的情况, 工作人员就在永磁体的外层加了一个保护的措施, 现阶段在这一领域能够使用的最有效的措施主要有两种, 一种是碳纤维捆绑式, 另一种是外部金属护套式, 碳纤维的厚度相对较小, 而且它的导电性也是非常差的, 所以不会产生高频涡流方面的损耗。但是它还是有一定的缺点, 比如说碳纤维的散热性能较差, 转子不容易散热, 有的时候为了达到屏蔽谐波的目的, 还会在捆绑的内部增加一层铜屏蔽层, 这样又在一定程度上增加了工作的难度。而非导磁金属护套则具有非常好的导电性能, 因此它可以有效地屏蔽高次的谐波, 最重要的是它的导热性能也非常好, 利于转子的散热, 但是它也是存在一个不足, 就是它的金属材料价格相当昂贵。
4 高速永磁无刷电机控制系统
永磁无刷电机如果是按照反电势波形会分为无刷电机和正弦波无刷电机, 正弦无刷电机是由交流电进行供电的, 而永磁同步电机则是由电励磁同步电机发展过来的, 它用永磁代替了之前的电励磁同步电机, 其转子的结构也按照永磁体的安装形式分为实心转子式和内嵌式, 而对于永磁无刷电机来说, 其矢量的目的就是为了将永磁同步电机近似地看成电流电机控制, 一般情况下, 都是开展控制电机外部的系统来对电机进行控制的, 其实矢量控制是利用了空间矢量变换的方法对定子电流进行相应的解耦, 最终实现解耦控制。
参考文献
[1]沈建新.气隙磁场波形及磁瓦充磁方式对无刷直流电动机性能的影响[J].微特电机, 2006, (06) :28-29.
高速直流电机 篇8
近年来, 随着磁悬浮技术、电力电子技术、矢量控制技术以及数字信号处理器技术的迅速发展, 无轴承电机理论和相关技术得到了不断发展与完善, 在离心机、涡轮分子泵、压缩机、高速精密机械加工、航空航天、生命科学等领域已经显现出了极其重要的科研与应用价值。目前国内外学者已经对异步型[1], 永磁型[2]和开关磁阻型[3]及其他特种结构如单极型[4]的无轴承电机做出研究。通过研究可知, 无轴承电机具有功率小、结构简单和可靠性高的特性。从效率及转子机械完整性的角度出发, 带有碳纤维复合材料带的表贴式永磁电机具有良好的高速运行性能。本文首先介绍了该无轴承电机的结构及参数。然后针对该无轴承电机系统 (包括悬浮子系统实验及电机转矩子系统) , 设计并进行了空载试验。实验结果表明, 空载时, 该驱动装置在全速度范围内具有良好的稳定悬浮性能。
1 结构描述及其主要参数
高速无轴承永磁同步电机结构如图1所示, 其额定转速为40000rpm, 额定功率为40k W。电机机壳由带有冷却剂导管的铝制成, 定子叠片通过胶合叠压在机壳内, 从而使得焊缝中不存在铁轭饱和。转矩绕组和悬浮力绕组均分布在同一定子槽中, 其中转矩绕组极数对数p1为2, 悬浮绕组极对数p2为3。无轴承转矩和悬浮力单元主要参数如表1所示。电机转子 (见图3) 总长度为460mm, 总质量为12.52kg。Ne Fe B磁铁被轴向分段 (6段) 粘在轴上并通过套有3.5mm碳纤维复合套管。转子径向和轴向位移通过在辅助轴压缩铝合金圈上安装的电涡流位移传感器测量。
图1 (a) 40k W无轴承永磁电机结构以及 (b) 带有碳纤维绷带的4极永磁转子 (1) 和电涡流位移传感器测量表面 (2) - (3) ;推力磁轴承的驱动端 (右端) 圆盘 (4) 可以被看到。
2 电机系统空载试验
2.1 反电动势
在电机设计过程中, 采用有限元分析软件Ansoft 16来分析电机的基本运行原理。图2为空载磁力线仿真图, 图3为26°C时电机气隙基本磁通密度。
从图4可以得出相感应电压波形的均方根值为199.42V。在相同转速时, 相电压频谱图中3次谐波的峰值为18.83V。图5为反电动势仿真波形, 和图4中的计算值相比, 两者基本一致。同时, 从图6、7谐波频谱图中可以看出, 相感应电压中具有3次谐波成分, 但由于定子绕组星型连接其在线反电动势中不再出现。
通过分布绕组的绕组因数的过滤效果, 频谱中的5次和7次谐波几乎可以忽略。由于驱动绕组和悬浮绕组分布在相同的定子槽中, 悬浮电流开关谐波能在驱动绕组中感应出小电压的磁场。这是无轴承驱动器的一个特性。
图8为通过带有0.1%的测量误差的功率分析仪测出的不同转速下基波均方值及40000rpm时的线性外推波形。通过短时间测量得出测量结束时转子永磁铁的温度恰为26°C。并且, 从图中可以看出, 在36024rpm时, 相反电动势基波的均方值是200.91V, 其和模拟数值非常接近 (199.64V) 。
2.2 电机空载电压和电流
电机系统采用工作在64k Hz的频率3级电压型逆变器。在电机低电压情况下, 线电压只有2个电压等级:0和UDC/2。随着电压增加, 会有2个和3个电压等级的变换。当电机高速旋转时逆变器提供一个3级电压。逆变器输出电压几乎为正弦信号, 且由于电压高频率转换, 即使高速永磁型驱动器中典型的低驱动绕组电感系数的存在, 电机的纹波电流仍然被很大的降低。
3 结论
本文首先针对该无轴承电机, 进行了其结构及参数的较为细致的阐述。还针对该无轴承电机系统 (包括悬浮子系统实验及电机转矩子系统) , 设计并进行了空载试验。实验结果表明, 在全速度范围内, 空载条件下的该驱动装置可以实现良好的稳定悬浮, 且电机的运行性能良好。此外, 驱动绕组带有高开关频率的3级逆变器的应用具有良好性能。关于其他驱动系统特性的进一步测量将在下一步工作中进行从而完整的评估该驱动的特性。
摘要：文章的研究重点是40kW的高速表贴式无轴承永磁同步电机。其转子悬浮系统是由产生转矩和悬浮力的非驱动端 (NDE) 和带有永磁偏置的轴向径向主动悬浮的驱动端组成。文章首先介绍了该无轴承电机的结构及参数。然后针对该无轴承电机系统 (包括悬浮子系统实验及电机转矩子系统) , 设计并进行了空载试验。实验结果表明, 空载时, 该驱动装置在全速度范围内具有良好的稳定悬浮性能。
关键词：40kW,高速,无轴承,永磁同步电动机
参考文献
[1]A.Chiba, D.T.Power, M.A.Rahman.Analysis of No-Load Characteristics of a Bearingless Induction Motor[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1995 (1) :77-83.
[2]M.Ooshima, A.Chiba, T.Fukao, M.A.Rahman.Design and Analysis of Permanent Magnet-Type Bearingless Motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1996 (2) :292-299.
[3]M.Takemoto, H.Suzuki, A.Chiba, T.Fukao, M.A.Rahman.Improved analysis of a bearingless switched reluctance motor[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2001 (1) :26-34.
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