高速电机的设计特点及相关技术研究_王凤翔

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:T M 355 文献标识码:AStu dy on design feature and related technology of high speed electrical machinesWANG Feng -xiang(School of Electrical Engineering ,Sheny ang University of T echnology ,Shenyang 110023,China )A bstract :Structure ,desig n feature ,key technology and research status of hig h speed electrical machines are summarized .Taking the high speed permanent magnet machines as an exam ple ,electromagnetic and structure designs of roto r ,analysis of roto r streng th and rigidity ,protection of permanent m agnets ,electromagnetic desig n of stato r core and w inding ,calculatio n of additional losses caused by hig h frequency and high speed ,prediction of temperature rise and selection of cooling mode are mainly introduced .In addition ,structure and control method of magnetically suspension bearings ,power conversion and control technique of hig h speed moto r and generator as well as their development tendency are discussed briefly .Key words :high speed electrical machine ;permanent mag net machine ;electromechanical desig n ;controlmethod ;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,其典型代表是:美国麻省理工学院(MIT )的电磁和电子系统实验室研究的5MW 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3MW 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1.2MW 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2MW 高速永磁发电机,转速范围为19000～22500r /min [1].目前已研制出500000r /min 的永磁发电机[2].高第28卷第3期2006年6月沈　阳　工　业　大　学　学　报Journal of Shenyang University of TechnologyVol .28No .3Jun .2006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2.5M W高速感应电机[3],同时已研制了转速50000r/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200m/s以上;二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率,一般在1000Hz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. 1.1　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.1.2　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,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].1.3　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].1.4　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.1.5　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].2.1　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.2.2　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.2.3　极数选择高速电机一般为2极或者4极,各有优缺点.259第3期王凤翔:高速电机的设计特点及相关技术研究 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.2.4　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(1000M Pa ),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(<100MPa ).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 w ith nonmag netic 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 ro to r covered by a carbon -fiber bandag e enclosure3　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].3.1　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1.3～1.5次方成比例,一台60000r /min 的电机磁场变化频率是3000r /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(Amo rphous steel )和磁粉压制的SM C (Soft m agnetic 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.3.2　定子铁心结构可以采用如图3所示多槽式、少槽式和无槽260 沈　阳　工　业　大　学　学　报第28卷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　T hree typical structures of stator corea .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　Co mparison of air gap magnetic fields fordifferent stato r 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.3.3　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 andconventional winding a .传统绕组　b .环型绕组4　高速电机的轴承设计4.1　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(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6　空气轴承结构原理示意图Fig .6　Schematic diagram of air bearing261第3期王凤翔:高速电机的设计特点及相关技术研究 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.4.2　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 diag ram of machine with magneticbearings图8　无轴承电机的结构示意图F ig .8　Structure diagram of bearingless machine4.2.1　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.4.2.2　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.N A 和N B 表示的是4极的转矩绕组,N α和N β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N α绕组中通入一个如图10所示的正方向电流时,N α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N α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,N β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N α、N β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 levitatio n 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F ig .11　Power conversion sy stem block diagram of ahigh speed generator driven by micro -turbine6　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 .Design anddevelopment of a 2M W ,high speed permanent magnet alternator for shipboard application [C /OL ].USA :Electric M achines T echnology Sy mposium ,Philadel -phia ,http ://ww w .calnetix 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