高速电机研究现状关键技术与设计方法xPPT课件下载推荐.pptx

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转速和功率平方根的乘积高速电机的难度值通常高于1105。

二、高速电机的国内外研究现状,现有不同类型高速电机的极限指标,二、高速电机的国内外研究现状,二、高速电机的国内外研究现状,2.4高速电机直驱鼓风机的技术优势,多级增速箱,高速电机直驱式鼓风机采用高速电机直接驱动，仅需要一套轴承。

效率：

0.985相比较现有结构，高速永磁直驱化后可节能（1020）%以上。

二、高速电机的国内外研究现状,节能效果对比现有增速箱式高速鼓风机现有高速鼓风机多以常速感应电机+两级增速箱结构为主，其结构及对应效率如下：

主要内容,1,2,3,4,高速电机的应用领域与分类高速电机国内外研究现状,高速电机的主要特点及关键技术,6,高速电机的一般设计原则与方法沈阳工大高速电机的研究概况,5,高速电机的发展趋势和展望,高速电机主要特点,高损耗密度,高供电频率,高机械转速,三、高速电机的主要特点及关键技术,高功率密度,三、高速电机的主要特点及关键技术由高速电机主要特点引发的关键问题,3.1高速轴承问题高速电机的轴承主要有滚球轴承、充油轴承、空气轴承以及磁悬浮轴承等。

通过在转动与非转动体之间形成一层油膜使转子悬浮，需要油循环系统。

容易出现漏油问题。

充油轴承：

空气轴承：

用压缩空气代替油膜实现气悬浮，处理不当也存在漏气问题。

磁悬浮轴承：

通过磁力耦合可实现电机定转子之间的非接触磁悬浮，真正解决轴承的寿命问题,但控制难度较大。

将球形合金钢珠安装在内钢圈和外钢圈的中间，以滚动方式来降低动力传递过程中的摩擦力和提高机械动力的传递效率。

滚球轴承：

三、高速电机的主要特点及关键技术,三、高速电机的主要特点及关键技术,J.Bartolo,H.Zhang,ect.Highspeedelectricalgenerators,application,materialsanddesign.2013IEEEWorkshoponElectrialMachinesDesign,ControlandDiagnosis（WEMDCD）,2013：

47-59,已有文献对目前高速电机所采用轴承类型的统计数据球轴承主要用于数百瓦至数百千瓦的高速电机空气轴承主要用于数十千瓦至数百千瓦的高速电机磁悬浮轴承主要用于数十千瓦至数兆瓦的高速电机充油轴承主要用于数百千瓦至数兆瓦的高速电机,三、高速电机的主要特点及关键技术,3.2高速电机转子机械强度及动力学设计高速旋转时转子的离心力很大，当线速度达到200m/s以上时，常规叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用特殊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。

三、高速电机的主要特点及关键技术,3.3高速电机损耗3.3.1定子铁耗常速电机仅考虑交变磁化,PFe:

铁耗；

Ph：

磁滞损耗，Pc：

经典涡流损耗，Pe：

附加涡流损耗，Bp：

磁通密度幅值，Kh：

磁滞损耗系数，：

磁滞损耗次幂，kc：

经典涡流损耗系数，ke：

附加损耗系数。

高速电机需要考虑谐波和旋转磁化,k：

谐波次数；

Bkmax、Bkmin表示k次椭圆形谐波的长轴和短轴；

Br（t）、B（t）表示定子磁场的切向和径向分量。

三、高速电机的主要特点及关键技术,多根并绕每根半径小于透入深度采用绞线,3.3.2定子铜耗高频条件下存在集肤效应与邻近效应需要采取以下措施：

铜耗会增大,导体的磁导率导体的电导率,集肤效应,邻近效应,角频率,三、高速电机的主要特点及关键技术,3.3.3转子涡流损耗对于常速永磁同步电机来说，转子涡流损耗通常可以忽略不计，但是在高速永磁电机运行条件下，转子涡流损耗会很大，甚至会使永磁过热退磁，减少电机使用寿命。

转子涡流损耗主要与护套材质、护套电导率、护套厚度、转子屏蔽套、气隙长度、定子结构等因素有关。

三、高速电机的主要特点及关键技术,3.3.4转子风摩耗,风摩耗与转子的尺寸、转速、气体密度、电机气隙大小、定转子表面粗糙度等因素有关,75kW,60000rpm高速电机不同转速下的损耗,K：

转子表面粗糙度；

w：

转子角速度，r：

转子半径，L：

转子长度，：

气体密度，Cf：

摩擦系数，Red：

径向雷诺数，Rea：

轴向雷诺数，d：

气隙大小，na：

轴向平均风速。

三、高速电机的主要特点及关键技术,3.4高速电机的温升计算与散热技术铁耗,铜耗,风摩耗,转子涡流损耗,热源散热面积,温升计算与散热技术是关键问题,三、高速电机的主要特点及关键技术,高速电动机,3.5高速电机的控制策略与功率转换技术高速发电机功率变换系统,高频变频调速系统,需要研究适用于高速电机功率变换和控制系统的拓扑结构和控制策略。

主要内容,1,2,3,4,高速电机的应用领域与分类高速电机国内外研究现状,高速电机的主要特点及关键技术,6,高速电机的一般设计原则与方法沈阳工大高速电机的研究概况,5,高速电机的发展趋势和展望,高速永磁电机设计是一个集电磁场、应力场、流体场、温度场、转子动力学等多物理场多次迭代的综合设计过程。

四、高速电机的一般设计原则与方法,4.1高速电机设计原理高速电机高速旋转时，转子表面产生很大的离心力，在设计时首先要保证转子表面的离心力在材料允许的极限范围内，因此高速电机的转子直径不能像常速电机那样“任性”选取，而应考虑转子材料可承受的最大离心力。

四、高速电机的一般设计原则与方法,A:

转子横截面积；

:

转子材料密度;

r:

转子半径;

转子旋转角速度;

v:

转子外表面线速度;

材料许用应力;

S:

安全系数,高速永磁电机转子设计,3、永磁材料的选取,4、永磁转子护套的设计,1、转子直径与长度的选取,2、转子极数的选取,4.2高速永磁电机转子设计由于永磁电机的高效率和高功率密度，永磁转子成为高速电机的首选结构，然而永磁材料的抗拉强度较低（钕铁硼永磁材料的抗拉强度约为80-140MPa，抗压强度约为1000-1100MPa）成为高速永磁转子设计的难题。

四、高速电机的一般设计原则与方法,4.2.1转子直径与长度的选取转子直径与长度的选取是转子强度与刚度相矛盾的过程。

转子外径的增加会增大转子表面线速度，从而增加转子表面风摩耗，增大转子离心力。

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。

转子外径较小时，为了保持相同的电磁特性，会增加电机的轴向长度，影响到转子的刚度，且转子外径过小时，会使定子槽难以开设。

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。

四、高速电机的一般设计原则与方法,4.2.2转子极数的选取为了减小定子绕组电流和铁心中磁场的交变频率高速电机一般选用2极或4极,四、高速电机的一般设计原则与方法,4.2.3永磁材料的选取,四、高速电机的一般设计原则与方法,抗压不抗拉磁性能受温度影响较大,密度高，受离心力较大导电，易产生涡流损耗,必须对永磁体采取保护措施,磁屏蔽,碳纤维,非导磁钢套,4.2.4永磁转子护套设计烧结而成的永磁体硬而脆，抗压强度高（10001100MPa），而抗拉强度较低（80-140MPa），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。

高强度非导磁保护套（钛合金等）1、对高频磁场起到屏蔽作用；

2、导热性能较好有利于永磁体散热；

3、导电体，在护套中产生涡流损耗。

采用碳纤维绑扎1、非导体基本不产生涡流损耗；

2、导热性差不利于永磁体散热；

3、对于永磁体没有高频磁场的屏蔽作用，需加一薄层磁屏蔽。

四、高速电机的一般设计原则与方法,4.3高速永磁电机定子设计,四、高速电机的一般设计原则与方法,定子槽数选择,定子绕组形式选择,定子铁心材料选择,定子设计特点,四、高速电机的一般设计原则与方法,多槽式,气隙较小磁场较强；

槽数较多，齿槽谐波频率较高；

可采用分布短距绕组削弱磁动势谐波。

少槽式,气隙较小磁场较强；

槽数较少，齿槽谐波频率较低而幅值较大；

只能采用集中整距绕组。

无槽式,气隙较大磁场较弱；

需要增加绕组匝数，增加铜耗；

无齿槽谐波，转子损耗较小。

4.3.1定子槽数选择可采用多槽式，少槽式，无槽式三种铁心结构,4.3.2定子铁心材料选择非晶合金（AMM）与传统硅钢相比，具有更高的电阻率和更薄的带材厚度，可以有效将铁芯损耗降低。

软磁复合材料（SMC）运用粉末冶金技术制造的一种新型材料，具有各向同性、低涡流损耗和可加工成任意形状等优点。

高硅钢（FeSi）硅含量是普通硅钢片的两倍左右，晶粒间绝缘，这种材料在高频工作条件下，可以有效降低损耗。

四、高速电机的一般设计原则与方法,传统绕组,2极和4极绕组端部较长，增加了转子轴向长度，降低了转子的刚度。

环型绕组,电机轴向长度大为缩短；

其缺点是需要穿