高速異步電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

陳麗

摘要：伴隨當(dāng)前我國(guó)機(jī)械行業(yè)發(fā)展速度逐步加快，高速異步電機(jī)在企業(yè)生產(chǎn)過程中獲得了廣泛地應(yīng)用，高速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也受到了企業(yè)的廣泛關(guān)注，因此需要重視從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)對(duì)高速異步電機(jī)進(jìn)行考慮，使高速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平提升。本文重點(diǎn)分析研究高速異步電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，以供參考。

關(guān)鍵詞：高速;異步電機(jī);設(shè)計(jì);關(guān)鍵技術(shù)

1 高速異步電機(jī)的功率與速度限制

通常人們往往把轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)稱作是高速電機(jī)，然后從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)高速電機(jī)的情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)高速電機(jī)進(jìn)行衡量時(shí)，轉(zhuǎn)速并非唯一特征。在實(shí)際應(yīng)用過程中，因?yàn)樯釓?qiáng)度等各個(gè)方面因素的影響，功率體積比、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子直徑等往往都是對(duì)高速電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的瓶頸，所以在設(shè)計(jì)高速電機(jī)過程中需要對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行綜合化的衡量，考慮功率密度、轉(zhuǎn)子線速度等，只是通過額定轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)進(jìn)行衡量是不正確的。

一般來說電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和電機(jī)的額定功率之間關(guān)系如下所示。

電機(jī)的功率與速度關(guān)系式：P=兀2D2σn

式中：n主要表示的是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;D主要表示的是轉(zhuǎn)子直徑;L主要表示的是轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度;σ主要表示的是轉(zhuǎn)子表面的切向應(yīng)力。

在計(jì)算過程中，以p為縱軸、以n為橫軸時(shí)，N-P曲線是一條直線，這條直線說明了在確定電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑和轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度之后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻控制，在確保電機(jī)磁通不變的情況下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)的功率也會(huì)進(jìn)一步提高，然而在實(shí)際運(yùn)行過程中，因?yàn)檗D(zhuǎn)子表面應(yīng)力和功率密度等各個(gè)方面因素的影響，散熱強(qiáng)度等往往對(duì)高速異步電機(jī)的速度和功率產(chǎn)生制約。上述問題逐步成為當(dāng)前高速異步電機(jī)設(shè)計(jì)過程中的“阿克琉斯之踵”，需要采取合理的方法進(jìn)行控制。

2 高速異步電機(jī)的軸承設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械軸承的設(shè)計(jì)

在高速異步電機(jī)當(dāng)中，軸承是核心部件，如何選好電機(jī)軸承，讓高速異步電機(jī)的使用壽命提升，控制摩擦和溫升，將動(dòng)態(tài)特性改變都是非常關(guān)鍵的。因此在設(shè)計(jì)高速異步電機(jī)時(shí)一定要注意加強(qiáng)電機(jī)軸承的設(shè)計(jì)，對(duì)軸向剛度、機(jī)械負(fù)載方向、徑向剛度、最大轉(zhuǎn)速等進(jìn)行綜合化的考慮，通常軸承的最大轉(zhuǎn)速值都有標(biāo)記，所以最大轉(zhuǎn)速與軸承內(nèi)外徑平均值的乘積（nDm值）成為軸承選擇過程中重要參數(shù)。由于軸承的不同尺寸，就算轉(zhuǎn)速相同，其圓周速度也不盡相同，因此不能單純以轉(zhuǎn)速來對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)水平進(jìn)行衡量，而需要使用ndm值來進(jìn)行表示。該值還能夠?qū)Ω咚佼惒诫姍C(jī)的轉(zhuǎn)子剛度特性進(jìn)行間接反應(yīng)。

2.2 無摩擦軸承技術(shù)

由于高速異步電機(jī)的軸承磨損速度較快，也就導(dǎo)致高速異步電機(jī)的使用壽命大幅度縮短，對(duì)電機(jī)向高功率、高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重地制約。近年來磁懸浮軸承氣浮軸承逐步出現(xiàn)，將軸承磨損過快等問題解決，特別是磁懸浮電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，獲得了較好的效果。磁懸浮軸承應(yīng)用最廣的是主動(dòng)磁軸承，通過軸承單元環(huán)繞的線圈產(chǎn)生電磁力，通過反饋徑向、軸向位置的控制器來對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，保證其處于懸浮運(yùn)行的狀態(tài)，可以讓磁懸浮電機(jī)的使用壽命大幅度延長(zhǎng)。然而在實(shí)際工作過程中自宣布軸承電機(jī)依然會(huì)出現(xiàn)輸出功率無法提高等問題，對(duì)于這些問題在設(shè)計(jì)過程中一定要注意合理地對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯部分的軸向長(zhǎng)度和徑向尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)殡姍C(jī)兩端的磁懸浮軸承具有一定的軸向長(zhǎng)度，軸系往往比普通軸承電機(jī)略長(zhǎng)，為了能夠在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行過程中防止轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速，需要注意盡可能地控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向長(zhǎng)度，保證其處于合理的范圍內(nèi)，提升運(yùn)行效果。

3 高速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

當(dāng)前高速異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)過程中，電子材料主要使用以下幾種方案，首先為了讓鐵心的損耗進(jìn)一步降低，控制低磁場(chǎng)強(qiáng)度下出現(xiàn)的高飽和磁通密度，使用各向同性為3%硅含量的0.18毫米硅鋼片，另外使用軟磁合金在轉(zhuǎn)子鐵芯上疊加安裝。其次是使用軟磁合金材料，在轉(zhuǎn)子和定子鐵芯材料當(dāng)中，可以發(fā)現(xiàn)高速異步電機(jī)的電子材料上選擇軟磁合金，鈷鐵合金是非常合理的，盡管鈷鐵合金相對(duì)較貴，但是在特殊熱處理之后，其屈服強(qiáng)度可以達(dá)到600mN/m2，具有很好的電磁性能。另外，在高速異步電機(jī)運(yùn)行過程中表現(xiàn)較為優(yōu)異，當(dāng)前該種合金還廣泛用于航空電機(jī)當(dāng)中。與此同時(shí)還有一種全新的材料，也就是非晶態(tài)磁性材料。這種磁性材料的電阻是金鈦合金材料的3～4倍，而且非常薄，厚度只有0.03毫米到0.05毫米，是一種典型的軟磁特性材料。相比于硅鋼片，缺點(diǎn)在于機(jī)械加工性能較差。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和鐵芯占空比系數(shù)較低，在應(yīng)用過程中需要將這些問題解決[1]，提升運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 對(duì)高速異步電機(jī)設(shè)計(jì)中的散熱設(shè)計(jì)

高速異步電機(jī)的散熱往往和自身的發(fā)熱息息相關(guān)，這對(duì)異步電機(jī)的工作穩(wěn)定性有直接影響，因此需要綜合化的電機(jī)的發(fā)熱影響因素進(jìn)行考慮，而該因素主要是使用壽命和絕緣材料的性能決定，也正是如此，高速異步電機(jī)散熱設(shè)計(jì)逐步成為當(dāng)前電機(jī)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)。在后期高速異步電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性控制方面具有很大的幫助。當(dāng)前我國(guó)電機(jī)企業(yè)在進(jìn)行高速異步電機(jī)生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦損耗。摩擦主要來源于空氣和轉(zhuǎn)子之間的接觸，這部分的摩擦需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)和考慮，合理地進(jìn)行散熱，減少氣隙的摩擦，控制轉(zhuǎn)子避免由于摩擦而導(dǎo)致的溫度升高。在轉(zhuǎn)軸運(yùn)行過程中，冷氣流可以讓異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子溫度降低，達(dá)到降溫的效果。

與此同時(shí)，轉(zhuǎn)子表面的熱量也是轉(zhuǎn)子升溫而導(dǎo)致的，需要注意加強(qiáng)溫升的控制，對(duì)于轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)和空氣摩擦產(chǎn)生的熱量，相關(guān)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)需要注意在對(duì)空氣表面光滑度進(jìn)行計(jì)算的前提下展開相應(yīng)的控制，光滑的轉(zhuǎn)子表面能夠讓交換率提高，因此需要注意加強(qiáng)溫升的控制，在保證不對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱產(chǎn)生影響的條件下，控制電機(jī)的實(shí)際大小[2]。

當(dāng)前市面上主要使用封閉式的散熱系統(tǒng)，在高速異步電機(jī)散熱設(shè)計(jì)過程中需要使用循環(huán)水等附著的方式來進(jìn)行散熱，通過水來帶走電子表面的熱量，使其處于常溫狀態(tài)，利用該散熱系統(tǒng)可以將常溫乳化水作為制冷劑，循環(huán)在水槽當(dāng)中流動(dòng)進(jìn)行降溫，以提升整體的散熱效果。

該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中需要注意以下幾個(gè)問題。首先水冷系統(tǒng)會(huì)伴隨輸出功率的升高，源源不斷地帶走增加的轉(zhuǎn)子損耗熱量。其次通過潤(rùn)滑油霧和轉(zhuǎn)子空隙之間進(jìn)行熱交換，可以帶走一些水冷系統(tǒng)無法帶走的熱量。在設(shè)計(jì)高速異步電機(jī)時(shí)，需要注意對(duì)水冷系統(tǒng)無法對(duì)轉(zhuǎn)子損耗散熱起根本性作用的問題進(jìn)行充分考慮，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中盡量保證總損耗為定量的條件下將定制損耗加大，控制轉(zhuǎn)子損耗。另外在散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要注意如何保證機(jī)械軸承和定子結(jié)構(gòu)之間的溫升限度同步到達(dá)，如果發(fā)現(xiàn)機(jī)械軸承和電子系統(tǒng)之間的溫升無法同步到達(dá)任何一個(gè)系統(tǒng)，出現(xiàn)額定溫升過高等情況，都會(huì)導(dǎo)致高速異步電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)出現(xiàn)故障[3]。

結(jié)束語

高速異步電機(jī)具有可靠性高、性能卓越等諸多優(yōu)點(diǎn)。在制造業(yè)當(dāng)中占據(jù)非常重要的地位，在各種大型企業(yè)當(dāng)中運(yùn)用非常廣泛，然而高速異步電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子、軸承等高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件是非常重要的，因此需要重視加強(qiáng)這些部件的設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，逐步加強(qiáng)創(chuàng)新，生產(chǎn)出高效的高速異步電機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵士良. 一種基于沖片結(jié)構(gòu)的MW級(jí)高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 上海電機(jī)學(xué)院， 2015.22：136-137.

[2] 陳廣勛，王翼翔.高速變頻電機(jī)開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)[J].電機(jī)技術(shù)，2017，000（005）：117-120.

[3] 徐禮鋒， 陳遠(yuǎn)龍. 高速異步電機(jī)設(shè)計(jì)的部分關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 銅陵學(xué)院學(xué)報(bào)， 2006， 005（005）：174-175.