對(duì)高速電機(jī)設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)運(yùn)用的淺析

【摘要】隨著科技的不斷發(fā)展以及新材料新工藝的出現(xiàn)，高速電機(jī)的技術(shù)也在不斷更新。高速電機(jī)由于其體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在家電、汽車、航空、船舶等方方面面的領(lǐng)域。而且高速電機(jī)由于其自身的優(yōu)勢(shì)，還被應(yīng)用于數(shù)控雕刻機(jī)、精密磨床及高速離心設(shè)備當(dāng)中。本文深入淺出的對(duì)高速電機(jī)自身設(shè)計(jì)特點(diǎn)和相關(guān)技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和闡述，相信未來高速電機(jī)的應(yīng)用前景將會(huì)越來越廣闊。

【關(guān)鍵詞】高速電機(jī)；設(shè)計(jì)；控制

一、引言

高速電機(jī)由于其具有轉(zhuǎn)速高、體積小、節(jié)約材料、噪音小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)廣泛的應(yīng)用在人們生活的方方面面。國(guó)外對(duì)這方面技術(shù)的研究已經(jīng)取得了卓越的成果，達(dá)到了非常先進(jìn)的程度。我國(guó)雖然對(duì)這方面技術(shù)的研究起步較晚，但是通過多年的努力以及自主創(chuàng)新，也取得了一定的成績(jī)。本文針對(duì)高速電機(jī)具有的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、定子設(shè)計(jì)以及技術(shù)運(yùn)用等方面加以分析和闡述。相信我國(guó)自主研發(fā)的高速電機(jī)一定可以達(dá)到一個(gè)更高的水平，并且廣泛地應(yīng)用到人民生活各個(gè)領(lǐng)域之中，提高生產(chǎn)能力以及人民生活水平。

二、高速電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1電磁設(shè)計(jì)

當(dāng)頻率越來越高的時(shí)候，高速電機(jī)將會(huì)迅速對(duì)鐵心造成消耗，而且消耗量很大。所以要盡力減少高速電機(jī)對(duì)鐵心的過度消耗，以及盡量使高速電機(jī)在低磁場(chǎng)的強(qiáng)度情況下使磁通的密度逐漸飽和。由于旋轉(zhuǎn)的速度很快，產(chǎn)生的離心力也很強(qiáng)，所以對(duì)轉(zhuǎn)子材料的工藝要求會(huì)很高，我們?cè)谏a(chǎn)的時(shí)候，要盡量選擇鑄銅轉(zhuǎn)子，因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)子更加的成熟而且穩(wěn)定。同時(shí)對(duì)生產(chǎn)的過程的要求也要朝著更加簡(jiǎn)單方便的方向發(fā)展。

2.2高速電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

2.2.1轉(zhuǎn)子直徑與長(zhǎng)度的選取

從減小離心力的角度來看，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑應(yīng)選得越小越好，然而轉(zhuǎn)子要有足夠大的空間放置永磁體和轉(zhuǎn)軸，因而轉(zhuǎn)子直徑不可過小。高速電機(jī)轉(zhuǎn)子一般為細(xì)長(zhǎng)型，為了保證轉(zhuǎn)子具有足夠的剛度和較高的臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子軸向不可過長(zhǎng)。

2.2.2永磁材料的選取

對(duì)于高速電機(jī)的永磁體的選擇必須非常的嚴(yán)格，一方面它自身要具備良好的磁性能，磁通密度要高而且磁能積要最大，而且在高溫的工作環(huán)境下要保持足夠的穩(wěn)定性。因?yàn)橛来呸D(zhuǎn)子自身的特性，它通常在高速、高頻的條件下散熱效果會(huì)不理想，同時(shí)損耗很大。所以我們必須注意當(dāng)轉(zhuǎn)子過熱的時(shí)候會(huì)不會(huì)使得永磁體發(fā)生不可逆失磁的現(xiàn)象，從而盡量避免這種情況的發(fā)生。

2.2.3極數(shù)選擇

兩極電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子永磁體可采用整體結(jié)構(gòu)，保證轉(zhuǎn)子沿徑向各向同性有利于轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)可減小定子繞組電流和鐵心中磁場(chǎng)的交變頻率，有利于降低高頻附加損耗，兩極電機(jī)的缺點(diǎn)是定子繞組端部較長(zhǎng)而鐵心軛部較厚。四極的電機(jī)和兩極電機(jī)的情況截然不同，它的優(yōu)點(diǎn)主要是定子繞組端部不會(huì)太長(zhǎng)而且鐵心軛部也不會(huì)過厚。當(dāng)然也有不盡人意的地方，比如永磁轉(zhuǎn)子必須在多塊永磁體來拼湊才行，還有定子繞組的電流以及鐵心內(nèi)部的磁場(chǎng)交變頻率太高。

2.3高速電機(jī)定子設(shè)計(jì)

2.3.1定子鐵心材料的選擇

由于定子鐵心中磁通的變化頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，而單位鐵損耗與頻率的1.3至1.5次方成比例，適當(dāng)降低鐵心中的磁通密度并采用低損耗的鐵心材料可以降低鐵耗。定子鐵心磁通頻率隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化，轉(zhuǎn)速越快頻率越高，而且鐵損耗與頻率也存在著一定的比例關(guān)系，所以我們應(yīng)當(dāng)通過各種手段來降低鐵心磁通密度，盡量使用那些損耗較為低的鐵心材料，達(dá)到最大限度降低鐵耗的目的。

2.3.2定子鐵心結(jié)構(gòu)

可以采用多槽式、少槽式和無槽式三種不同類型的定子鐵心。通過對(duì)一臺(tái)兩極高速電機(jī)在相同定轉(zhuǎn)子尺寸和運(yùn)行條件下采用不同槽數(shù)定子鐵心結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)有限分析，得出的在轉(zhuǎn)子表面一點(diǎn)的磁通密度變化曲線對(duì)比，通過對(duì)比永磁轉(zhuǎn)子表面氣隙磁通密度的變化曲線可以看出，無槽定子不產(chǎn)生高頻齒諧波磁場(chǎng)，對(duì)減小轉(zhuǎn)子損耗十分有利，但氣隙過大，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)較小，材料利用率過低。

2.4高速電機(jī)軸承設(shè)計(jì)

2.4.1磁力軸承

磁力軸承可分為被動(dòng)式、主動(dòng)式和混合式磁力軸承三種類型。被動(dòng)式的磁力軸承很先進(jìn)，一般是永磁體來構(gòu)成，而且不需要進(jìn)行控制，只有在一個(gè)自由度上施加一定的力即可，但是要避免使其發(fā)生不穩(wěn)定情況。主動(dòng)式磁力軸承可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮，只要通過控制器來檢查轉(zhuǎn)子位置即可，而且當(dāng)調(diào)整磁線圈的電流時(shí)還能控制懸浮力，來穩(wěn)定轉(zhuǎn)子的懸浮?；旌鲜酱帕S承是主動(dòng)式與被動(dòng)式磁力軸承的結(jié)合，通過施加永磁體的偏磁磁場(chǎng)以減小主動(dòng)式磁力軸承的控制功率。

2.4.2磁懸浮無軸承

磁懸浮無軸承電機(jī)是將徑向磁力軸承與電機(jī)集成為一體，電機(jī)的定轉(zhuǎn)子不僅要產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)力矩，而且要產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子懸浮的電磁力。無軸承電機(jī)與傳統(tǒng)交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，只是為了產(chǎn)生磁懸浮力，除了原有用以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的定子繞組外，再加上一套磁懸浮力控制繞組。

三、高速電機(jī)的相關(guān)技術(shù)運(yùn)用

高速電機(jī)一定得使用那種高頻的逆變器來供應(yīng)電能，但是高速發(fā)電機(jī)總是輸出那種高頻交流電，所以有必要將電力的電子功率通過一定手段來變換，成為普通用戶可以接受和使用的恒頻恒壓交流電。一般高速電機(jī)經(jīng)常是高頻供電，那么它的損耗情況很嚴(yán)重，散熱也不理想，所以必須使電機(jī)的繞組電壓和電流是正弦波，同時(shí)減小了高次諧波的多余損耗，那么就需要對(duì)功率變換裝置的要求更高更嚴(yán)格。當(dāng)前的科技水平下高速電機(jī)重點(diǎn)運(yùn)用的領(lǐng)域?yàn)槲⑿腿細(xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，并且高速電機(jī)的特點(diǎn)是它自身采用了電機(jī)分布式供電系統(tǒng)，使得對(duì)于它的控制以及變換功率技術(shù)應(yīng)用非常復(fù)雜。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到一定值后微型燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火，隨著轉(zhuǎn)速的升高和微型燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)功率的增加，高速電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率逐漸減小進(jìn)而變?yōu)榘l(fā)電機(jī)輸出電功率，將高速發(fā)電機(jī)輸出的高頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后由輸出逆變器轉(zhuǎn)換為恒頻恒壓的工頻交流電向用戶供電。

四、結(jié)束語

綜上所述，本文簡(jiǎn)要的對(duì)高速電機(jī)具有的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、定子設(shè)計(jì)以及技術(shù)運(yùn)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析總結(jié)。在科技不斷進(jìn)步時(shí)代背景下，高速電機(jī)的發(fā)展前景將是非常廣闊的，將朝著效率更好、體積更小、噪音更小的方向不斷前進(jìn)。我國(guó)對(duì)高速電機(jī)的研發(fā)水平不斷提高的過程中，高速電機(jī)將以更加靈活更加方便的形式運(yùn)用在生產(chǎn)、生活之的各個(gè)領(lǐng)域之中，方便人們生活的同時(shí)提高我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品生產(chǎn)效率以及競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)內(nèi)對(duì)高速電機(jī)的研發(fā)水平必將邁向一個(gè)新的臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)

[1]閻文.淺析現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法及研究進(jìn)展.《機(jī)電信息》，2013年3期