高速永磁无刷电机的若干设计要点.ppt

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1、高速永磁无刷电机的若干设计要点DesignConsiderationsforHigh-SpeedPMBrushlessMachines沈建新高速电机的主要优点高速电机的分类与应用高速电机的常见结构形式高速永磁无刷电机的设计要点（目的在于提出问题）本文内容轴承的相关问题转子机械强度与动力学设计损耗分析与削弱其他设计考虑一、高速电机的主要优点①电机功率密度高。使用高速电机，既可以节省电机的生产材料，又可满足某些对体积、尺寸有特殊限制的应用需求。②有些负载“喜欢”高速：例如风机、离心压缩机等，高速运行可以减小体积和重量

2、、提高效率，所以目前的一种设计趋势就是高速化。有些负载“要求”高速：例如旋转式陀螺、核材料分离用的离心机、飞轮储能系统等，本身就必须高速运行。所有这些“喜欢”或者“要求”高速运行的负载，若用普通转速的电机驱动，就需要机械式的齿轮增速机构，体积大、成本高、效率低、噪声大、寿命短；若用高速电机直接驱动，就可以克服这些缺点。二、高速电机的定义与分类在定义高速时，势必要考虑功率等级。与时俱进。①小功率高速电机：功率在数十瓦至数千瓦范围，转速一般超过10万转/分钟。②中小功率高速电机：功率为数十千瓦，转速范围一般在5~10

3、万转/分钟。③中等功率高速电机：功率为数百千瓦，转速范围一般在1~6万转/分钟。④大功率高速电机：功率为数兆瓦，转速范围一般在0.6~2万转/分钟。二、高速电机的分类与应用第①、②类高速电机主要可以用在惯性导航装置、牙科磨头、离心机、雕刻机、微型或小型电辅助涡轮增压器、制冷压缩机、微型或小型燃气轮发电机系统、高速电主轴，等。这两类的高速电机，国内外已取得了不少成果，许多相关技术基本成熟，其应用也日益广泛。第③类高速电机可以应用在大型高速风机、大型空气压缩机和制冷压缩机、大型储能装置等。国内外的相关研究并不多见，还

4、有不少特殊问题亟待研究解决。美国Kentucky大学、GE公司、Sundstrand公司：250kW、375kW、500kW，4.8~5.2万转/分钟开关磁阻发电机。二、高速电机的分类与应用第④类高速电机的研究和应用在国际上很少，所见的报道仅有美国麻省理工学院研制的1.5万转/分钟、5兆瓦高速感应发电机（？），以及美国Calnetix公司研制的1.9~2.25万转/分钟、2兆瓦高速永磁发电机等。但是，可以预见，第④类高速电机必将是电机领域的重要研究方向。三、高速电机的常见结构形式一般采用无刷式结构常见的无刷式高速

5、电机结构包括以下四类（当然不排除还有其他特殊结构的电机）：①感应电机，包括鼠笼转子感应电机和实心转子感应电机等；②开关磁阻电机；③永磁同步电机；④永磁无刷直流电机。四、高速永磁无刷电机的设计要点空气轴承磁悬浮轴承（无轴承电机）液体动压轴承滚珠轴承1.轴承的相关问题在高速电机中使用滚动轴承是可行的。选型：精度、游隙、材质、形式装配润滑冷却（包括轴承的热分析）轴系的设计（径向力与轴向力的分布，固有频率与振动模态，等）转子的动平衡部分品牌轴承的实测损耗（一对7001轴承）NSK钢球GMN钢球FAG陶瓷球FAG(密封)陶

6、瓷球滚动轴承与润滑脂2.转子机械强度与动力学设计高速电机转子承受巨大的离心力，因此其机械强度是必须注意的问题。常见的解决办法是在转子外侧加装保护套，例如非导磁金属保护套（钛合金、Inconel合金、高强度合金钢等）（会引起额外的涡流损耗）和高强度纤维类保护套（碳素纤维、玻璃纤维等）（热阻大）。注意：转轴、铁芯、永磁材料及保护套的热膨胀系数。机械强度的预测：公式计算，有限元软件仿真。合理设计电机的轴系结构。避免转子上出现应力集中。需要计算转子的各阶振动模态和对应的固有频率，使得转子在整个工作转速范围内不发生共振现象

7、。避免不必要的悬臂梁结构或过长的转子！有限元法预测转子的动力学特性往往是足够准确的。电机转子受到的不平衡力与力矩波动，也是影响转子工作的重要因素。例如，在常见的转子2极、定子3齿、集中绕组的结构中，转子受到明显的单边磁拉力。该磁拉力对转子造成很大的激励，致其振动。若激励频率接近共振频率，就非常危险。该激励也显著会缩短滚珠轴承的寿命。所以，这种常见的结构用于高速永磁无刷电机中时，须作格外的设计校核。设计时要尽量避免非对称结构。3.损耗分析与削弱高速电机中的各种损耗往往比普通转速电机高。有些损耗在普通转速电机中体现得

8、不明显，但是在高速电机中就非常突出。3.1定子铁耗磁密设计较低极数尽量少铁芯材料的选择薄硅钢片，如WTG200坡莫合金片材非晶合金片材软磁复合材料SMC薄叠片铁芯的加工：叠片的加工：冲加工（不适合薄片）；线切割；激光切割（不适合常规感应电机）。铁芯的叠制：扣片（不太适合薄片铁芯的高速电机）；氩弧焊（不太适合薄片铁芯的高速电机）；胶粘。激光切割的叠片(0.1mm)0.5mm