高溫高速永磁電機關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

梁得亮,褚?guī)浘?賈少鋒,郁亞南,梁陽

(1.西安交通大學電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安;2.西安交通大學電氣工程學院,710049,西安)

高速電機通常指轉(zhuǎn)速超過10×103r/min或難度系數(shù)(轉(zhuǎn)速和功率平方根的乘積)超過1×105的電機[1]。近年來,隨著高頻驅(qū)動電源、高性能軟磁材料、永磁材料的迅猛發(fā)展以及高速軸承技術(shù)的革新,電機可以實現(xiàn)高速甚至超高速運行。高速電機的優(yōu)勢更加突出:①功率密度大,可有效節(jié)約材料、減小體積、節(jié)省空間、減小質(zhì)量;②轉(zhuǎn)動慣量更小,動態(tài)響應更快;③可與負載直接相連,省去了傳動裝置,可靠性高,系統(tǒng)效率高[2-4]?；谝陨蟽?yōu)點,高速電機在分布式發(fā)電系統(tǒng)、精密加工、飛輪儲能、半導體加工等領(lǐng)域[5-8]具有廣泛的應用背景。

早在2006年,國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》和實現(xiàn)制造強國戰(zhàn)略的國家行動綱領(lǐng)《中國制造2025》均指出,國防工業(yè)、航空航天裝備、高檔數(shù)控機床和機器人以及節(jié)能與新能源汽車技術(shù)等為未來的重點研究領(lǐng)域。這些應用領(lǐng)域通常要求驅(qū)動部件具有體積小、質(zhì)量小、功率密度高等特性,而且同時能夠在高溫、低溫、潮濕、高壓等環(huán)境條件下安全運行。高速電機能在實現(xiàn)功率最大化的同時最大限度地減小體積和質(zhì)量,這是決定其未來適用性的主要標準之一。然而,電機材料的物理性能和電氣性能,如導體的電阻率、鐵芯的磁導率、永磁體的磁能積以及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的剛度和強度等,受溫度因素的影響,會導致電機的電磁性能和可靠性發(fā)生變化。執(zhí)行機構(gòu)和功能部件對環(huán)境的適應能力成為了限制極端環(huán)境探測開發(fā)裝備研究的關(guān)鍵和核心。以往的設(shè)計和分析方法已經(jīng)難以滿足以上要求,高速電機出現(xiàn)了新的技術(shù)難題。

目前,針對高溫環(huán)境下高速永磁電機的分析與研究處于起步階段,相關(guān)理論和設(shè)計方法尚未形成完整體系。所以,本文在結(jié)合高溫電機與高速永磁電機相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)之上,對高溫環(huán)境下高速永磁電機的設(shè)計和分析方法等關(guān)鍵技術(shù)展開分析。主要圍繞定轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料溫度特性分析與選取、轉(zhuǎn)子支撐技術(shù)、繞組絕緣技術(shù)、轉(zhuǎn)子動力學以及熱設(shè)計和熱管理技術(shù)幾方面進行了詳細的論述和探討,以期總結(jié)相關(guān)規(guī)律,為推動高速永磁電機在極端環(huán)境下的工程應用提供參考。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 電機溫度特性研究

高溫環(huán)境條件下,電機繞組銅的電阻率、電工鋼的磁導率、永磁體的剩磁以及結(jié)構(gòu)件的機械強度等特性變化較大,對電機的輸出功率、電磁轉(zhuǎn)矩、各類損耗、永磁體退磁和負載特性等性能會造成不同程度的影響。釹鐵硼永磁同步電機在低溫下,帶載能力下降,高溫存在不可逆退磁隱患[9]。隨著溫度升高,電機的輸出功率受電阻和反電勢共同影響[10-11]。內(nèi)置式永磁電機的輸出轉(zhuǎn)矩和紋波轉(zhuǎn)矩隨著溫度的增加逐漸下降而齒槽轉(zhuǎn)矩增加[12]。文獻[13]在考慮溫度升高的前提下,對電機持續(xù)運行中的反電勢和控制電流的變化進行了預測,并進行了實驗研究。文獻[14]研究了永磁電機鐵損與溫度的關(guān)系。文獻[15]研究了運行溫度對電機性能的影響。

由此可見,了解并分析材料溫度特性以及溫度與電機輸出性能之間的關(guān)系特性是實現(xiàn)電機在高溫環(huán)境下可靠運行的基礎(chǔ)和首要條件。

1.2 高溫電機研究現(xiàn)狀

高溫電機(絕緣等級通常為H級及以上)的研究與發(fā)展是與耐高溫材料及其應用領(lǐng)域的發(fā)展密切相關(guān)的。在地質(zhì)勘探和深空探測領(lǐng)域中,異步電機和永磁電機的應用最為廣泛,技術(shù)也最為成熟。隨著耐溫材料以及機械加工方法的發(fā)展,航空航天領(lǐng)域出現(xiàn)了耐溫460 ℃和500 ℃的永磁無刷直流電機。例如,美國的Honeybee Robotics公司和Firstmark Aerospace公司分別為金星表面探測器和航天工業(yè)研發(fā)了耐高溫無刷直流電機,如圖1所示[16]。Liu等設(shè)計了轉(zhuǎn)速為12×103r/min、效率為90%的永磁電機,可在300 ℃下正常工作[17]。ABB公司推出了能夠在環(huán)境溫度90 ℃下平穩(wěn)運行的耐高溫系列感應電機[18]。

(a)耐溫460 ℃電機

國內(nèi)有關(guān)耐高溫永磁電機方面的研究起步較晚,但是在航空航天以及石油勘探領(lǐng)域已有相應產(chǎn)品投入使用。例如:北京航空航天大學設(shè)計的舵機用永磁直流電動機,短時工作溫度可以達到250 ℃,如圖2所示[19];貴州航天林泉電機有限公司為嫦娥四號探測器研發(fā)了180～220 ℃高溫環(huán)境下的無刷直流永磁電機[20];沈陽工業(yè)大學與遼河油田聯(lián)合開發(fā)了耐溫200 ℃的高溫潛油電泵機組[21];中原油田設(shè)計了可在溫度150 ℃下長期運行的107系列耐高溫異步潛油電機[22]。

圖2 舵機裝配圖[19]Fig.2 Steering gear assembly diagram

由此可見,國外在耐高溫電機的設(shè)計開發(fā)方面技術(shù)較為成熟,小功率電機的耐溫等級達到了較高水平。國內(nèi)在溫度等級180 ℃以下的潛油電機領(lǐng)域,擁有成熟的設(shè)計方法和加工經(jīng)驗,并具有系列化產(chǎn)品。由于缺乏耐高溫絕緣材料及絕緣壽命預測的研究和高溫永磁材料的制作工藝與國外尚有較大差距,高溫電機耐溫等級的提升被限制。

1.3 高速電機研究現(xiàn)狀

高速電機的研究主要分為超高速化和大功率化兩個方面。在超高速方面,瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院先后實現(xiàn)了100 W、500×103r/min,1 kW、500×103r/min以及100 W、1 000×103r/min超高速永磁電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計、制造和測試[23]。Hong等研發(fā)了500 W、轉(zhuǎn)速400×103r/min的電動-發(fā)電一體式微型渦輪發(fā)電機[24]。沈建新等推導了3 kW、100×103r/min永磁無刷電機氣隙磁場計算公式,并進行了試驗驗證[25]。北京動力機械研究所的趙建亭等對120×103r/min超高速電機的臨界轉(zhuǎn)速進行了分析與試驗驗證[26]。

在大功率方面:美國FMC公司研發(fā)了高速直驅(qū)式發(fā)電機(1～2 MW、22.5×103r/min,8 MW、22.5×103r/min,12 MW、10×103r/min);英國Bowman電氣公司研制了用于蒸汽輪機發(fā)電機組用的高速永磁發(fā)電機,功率從20 kW到1.5 MW;ABB公司研制了40 kW、40×103r/min的高速永磁發(fā)電機[27]。國內(nèi)一些科研院所、大學以及部分航空發(fā)動機制造公司在國家及各級單位的推動下也開展了相關(guān)的研究工作。沈陽工業(yè)大學、南京航空航天大學和浙江大學共同承擔了國家重點自然科學基金項目“微型燃氣輪機-高速發(fā)電機分布式發(fā)電與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究”，研制成功75 kW、60×103r/min高速永磁電機系統(tǒng)[28];西安交通大學和中科院工程物理研究所等單位聯(lián)合研制了112 kW、45×103r/min微燃用高速永磁同步電機,如圖3所示,電機軸承采用磁懸浮、混合式軸承、高速滾動軸承加彈性阻尼支撐3種方案,定子采用油冷，轉(zhuǎn)子采用風冷技術(shù)[29]。

圖3 112 kW、45×103 r/min 高速永磁同步電機[29]Fig.3 112 kW,45×103 r/min high-speed permanent magnet synchronous machine

由此可見,無論是在超高速電機還是在大功率電機方面,國外對高速電機的研究時間相對較早,技術(shù)較為成熟,并開始向系列化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。國內(nèi)在超高速與大功率高速電機方面的研究已經(jīng)取得了一定成果,但在100 kW等級(45×103r/min)、MW等級(15×103r/min)以上,大功率高速電機系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化才剛起步,與國外相比尚有一定的差距。

綜合上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知,在極端環(huán)境條件下,驅(qū)動電機以常規(guī)轉(zhuǎn)速為主,高速永磁電機的研究較少。最主要的原因在于高速永磁電機的設(shè)計是基于電磁場、溫度場、應力場、流體場和轉(zhuǎn)子動力學等多物理場相互耦合的綜合迭代設(shè)計過程,設(shè)計難度系數(shù)較高。尤其在極端環(huán)境下,耐高溫絕緣材料、永磁材料的制備和加工工藝不成熟等問題進一步提升了電機設(shè)計難度。因此,研究高溫環(huán)境下高速永磁電機的機理和性能變化規(guī)律,形成完整的設(shè)計和分析方法,具有重要的意義和迫切的實際需求。

2 定轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇

2.1 定子拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

定子拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定子鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計和繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計,是衡量電機性能的關(guān)鍵因素。進行合理的定子拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計,降低定子高頻損耗,提高定子散熱效率,是電機設(shè)計的關(guān)鍵問題。

2.1.1 定子鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

高溫高速永磁電機的定子鐵芯結(jié)構(gòu)類型與繞組電氣絕緣系統(tǒng)(EIS)的耐溫等級密切相關(guān)。工作溫度低于260 ℃時,定子鐵芯可采用常規(guī)高速電機鐵芯結(jié)構(gòu),如圖4所示。

(a)多槽

工作溫度高于260 ℃以上時,EIS物理特性發(fā)生變化,定子鐵芯需采用與高溫電機相似的T型結(jié)構(gòu)與繞組相匹配,如圖5所示[30]。表1為不同溫度等級下,定子鐵芯拓撲結(jié)構(gòu)類型及其特點。

(a)定子結(jié)構(gòu)

表1 定子鐵芯結(jié)構(gòu)的特點

2.1.2 繞組拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

電機工作溫度低于260 ℃時,高溫高速永磁電機的繞組拓撲結(jié)構(gòu)與高速電機相同,如正弦繞組、單層繞組、雙層繞組和其他結(jié)構(gòu)型式(如背繞式結(jié)構(gòu)和無槽繞組結(jié)構(gòu))。圖6為現(xiàn)有不同的高速電機繞組結(jié)構(gòu)。

(a)常規(guī)繞組結(jié)構(gòu)[31]

除了以上幾種繞組類型之外,本課題組還提出了一種新型低諧波多層不等匝繞組拓撲結(jié)構(gòu),如圖7所示[34]。該結(jié)構(gòu)可以改善氣隙磁密波形,在降低諧波損耗和轉(zhuǎn)矩波動的同時大幅提升繞組利用率。該種繞組拓撲結(jié)構(gòu)不僅適用于高溫高速永磁電機中,在常規(guī)電機中亦可應用。

(a)定子結(jié)構(gòu)

工作溫度高于260 ℃時,繞組需采用成型的基于無機絕緣的線圈制成集中繞組與定子齒貼合放置[35]。圖8為高溫無機絕緣線圈拓撲結(jié)構(gòu)。表2為不同溫度等級下,不同繞組拓撲結(jié)構(gòu)的特點。

圖8 高溫無機絕緣線圈[35]

表2 不同溫度等級下的繞組拓撲結(jié)構(gòu)特點

綜合2.1小節(jié)內(nèi)容可見,EIS的耐溫等級決定了定子鐵芯結(jié)構(gòu)以及繞組結(jié)構(gòu)的類型。本文對高溫高速電機可供采用的定子拓撲結(jié)構(gòu)進行了歸納和分析,在設(shè)計之初,可以根據(jù)耐溫等級參照表1和表2進行選擇。

本課題組在綜合分析高速電機與高溫電機定子拓撲結(jié)構(gòu)特點之后,提出了一種適用于寬溫度范圍的爪極型定子拓撲結(jié)構(gòu),如圖9所示,并申請了相關(guān)專利。該拓撲結(jié)構(gòu)制造簡單、加工成本低且繞組采用全局環(huán)形集中結(jié)構(gòu),無端部長度,可以得到充分利用。

(a)環(huán)形繞組

2.2 轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

高溫高速永磁電機轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮電磁和機械兩方面：①轉(zhuǎn)子要有足夠的空間放置永磁體,以獲得較大的輸出功率和平均轉(zhuǎn)矩；②高溫下轉(zhuǎn)子部件不會因熱膨脹導致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)生熱形變,動平衡遭到破壞，并且轉(zhuǎn)子部件不會被高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力甩落或破壞。因此,高溫高速永磁電機轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)可以分為內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩類。

2.2.1 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

受硅鋼片強度和隔磁磁橋厚度的影響,內(nèi)置式轉(zhuǎn)子機械特性比較薄弱,不適合高速運行場合[36-37]。早期內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)通常采用實心轉(zhuǎn)子或增加隔磁橋尺寸等方法改善高速旋轉(zhuǎn)時機械可靠性的問題。例如:韓國的三星電子公司設(shè)計的8 kW、轉(zhuǎn)速40×103r/min的高速永磁電機采用多段、多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來滿足機械性能[38];羅茲理工大學對比分析了兩種耐高溫內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[39];國內(nèi)的東南大學設(shè)計了輻條式高速永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[40];文獻[41]研究了內(nèi)置式永磁電機加強筋數(shù)量和尺寸對轉(zhuǎn)子強度以及電磁性能的影響。

以上設(shè)計及優(yōu)化方法在一定程度上解決了高速旋轉(zhuǎn)時內(nèi)置式轉(zhuǎn)子機械可靠性的問題,但又同時導致漏磁增加、轉(zhuǎn)子渦流損耗增大、制造工藝復雜、成本增加等問題[42]。當電機線速度達到200 m/s以上時,必須采用特殊的高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子才能保證轉(zhuǎn)子可靠運行。

2.2.2 表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表貼式永磁體配合高強度護套和實心轉(zhuǎn)軸可以使電機突破臨界轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)超高速運行,是應用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)型式。然而,隨著轉(zhuǎn)速的提升,轉(zhuǎn)子表面散熱面積逐漸減小,離心力將以轉(zhuǎn)速的二次方增大。此外,為了防止漏磁,護套通常采用非導磁金屬或非金屬材料。非金屬材料不產(chǎn)生渦流損耗,但是散熱困難;金屬材料有利于散熱但是會產(chǎn)生較大的渦流損耗,兩者均會引起轉(zhuǎn)子溫升增加。因此,國內(nèi)外學者圍繞結(jié)構(gòu)強度和損耗計算進行了大量研究。

(1)轉(zhuǎn)子損耗的分析計算。Kolondzovski等[43]研究了采用不同轉(zhuǎn)子護套材料時的轉(zhuǎn)子損耗和對轉(zhuǎn)子溫升的影響。Wang等[44]研究了高速電機轉(zhuǎn)子護套周向開槽對轉(zhuǎn)子渦流損耗及溫升的影響,結(jié)果表明,在護套上開周向淺槽可以有效減小轉(zhuǎn)子渦流損耗、降低轉(zhuǎn)子溫升。文獻[45]研究了不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。文獻[46-48]通過在永磁體和護套之間增加高電導率的銅屏蔽環(huán)來降低轉(zhuǎn)子渦流損耗。文獻[49]推導了帶銅屏蔽環(huán)的轉(zhuǎn)子渦流損耗的解析公式,對銅環(huán)厚度和轉(zhuǎn)子渦流損耗的關(guān)系進行了研究。圖10為浙江大學沈建新教授課題組研制的帶銅屏蔽層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖10 帶銅屏蔽層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[49]Fig.10 Rotor structure with copper shield

(2)轉(zhuǎn)子機械應力的計算。代爾夫特理工大學的Borisavljevic等[50]對高速永磁電機轉(zhuǎn)子部件碳纖維護套的徑向和周向應力進行了理論推導。Yon等[51]對半滲透材料與碳纖維材料在提高永磁體強度方面進行了比較。文獻[52]基于彈性力學基本理論,對圓環(huán)形永磁體合金護套的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行了解析分析,并給出了轉(zhuǎn)子護套發(fā)生脫落的標準。文獻[53]建立了碳纖維護套轉(zhuǎn)子強度的解析模型,通過二維有限元方法對解析模型進行了驗證。文獻[54]針對一臺100 kW、60×103r/min、采用碳纖維和高強度合金兩種護套的表貼式高速永磁電機應力分布分別進行了解析推導,并通過有限元法驗證了電機冷態(tài)和熱態(tài)運行情況下應力分布。

(3)溫度對轉(zhuǎn)子部件機械應力的影響。文獻[55]對315 kW、18×103r/min的永磁電機,分別計算了靜態(tài)、常溫環(huán)境和熱態(tài)環(huán)境下永磁體和護套的周向和米澤斯應力,得出了溫度與應力的關(guān)系。文獻[56]在常溫和熱態(tài)運行下,對一臺12 MW、18×103r/min的船用高速永磁同步電機永磁體的徑向及周向應力和護套的米澤斯應力進行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子應力隨溫度的升高發(fā)生顯著的變化。文獻[57]對一臺100 kW、50×103r/min的永磁同步電機,分析了溫度對永磁體和護套徑向、周向和米澤斯應力的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著溫度的升高,永磁體的徑向應力變化緩慢,周向應力和米澤斯應力緩慢增加;護套的徑向應力變化緩慢,周向和米澤斯應力顯著增加。文獻[58]以一臺200 kW、40×103r/min的永磁同步電機為例,采用有限元法計算并分析了鎳基合金(Inconel 718)、鈦合金(Ti6Al4V)和碳纖維(CFC)這3種不同材料的護套,得出轉(zhuǎn)速和溫度對護套與永磁體間的接觸壓力和護套的最大應力的敏感性。

綜合2.2小節(jié)內(nèi)容可知,高溫高速永磁電機轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計時需根據(jù)電機運行速度和設(shè)計要求,并且應綜合考慮材料的熱應力和熱變形的影響,確保轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在高速旋轉(zhuǎn)時具有較好的高溫力學性能和磁性能。圖11為現(xiàn)有不同類型的高速電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

(a)環(huán)形永磁體

2.3 定轉(zhuǎn)子材料選擇

2.3.1 定子材料選擇

(1)定子鐵芯材料選擇。常溫環(huán)境下,Fe-Si系合金軟磁材料價格低廉應用較為廣泛。高速永磁電機中,為了降低鐵芯損耗,多采用0.2 mm及以下無取向硅鋼片,如武鋼的WTG-200、WTG-150以及寶鋼的B20AT1200和B20AT1500等。隨著新型電工材料的發(fā)展和工藝技術(shù)的提升,非晶合金材料(如圖12所示)[59]和SMC(軟磁復合材料)[60-62]等一批新型軟磁材料在高速永磁電機中的應用逐漸增多,不同材料的鐵芯結(jié)構(gòu)如圖12所示。非晶合金帶材的厚度僅有0.025 mm,在高頻電機中可大幅度降低定子鐵芯損耗。SMC是一種粉末材料,該粉末是表面包裹著絕緣、粒徑為0.1 mm的鐵粉。這種材料具備各向同性磁特性,具有低渦流損耗、結(jié)構(gòu)形狀多樣、加工成本低等優(yōu)點。

(a)軸向非晶合金鐵芯[59]

高溫環(huán)境下,軟磁材料的電氣性能會發(fā)生明顯變化,進而影響電機輸出性能。因此,深入了解軟磁材料的溫度特性變化對高溫環(huán)境下高速永磁電機的設(shè)計是必要的。目前,只有部分院校進行了相關(guān)試驗分析。例如:Takahashi等對SPCC、SS400、硅含量為6.5%的硅鋼片、35A250等軟磁材料的磁化曲線(B-H)、磁導率曲線(μs-Bm)和鐵損耗進行了高溫試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當溫度升高到500 ℃以上時,B-H曲線、磁導率會發(fā)生劇烈變化,鐵耗也逐漸開始下降[63]。圖13為SPCC高溫磁性能。Ababsa等設(shè)計了一種適用于600 ℃下的愛潑斯坦方圈,并分析了溫度與鐵板厚度對功率損耗的影響[64]。

(a)不同溫度下的B-H曲線

以上文獻對軟磁材料高溫磁特性的研究主要集中于常規(guī)電機,且試驗樣品較少。關(guān)于高速永磁電機軟磁材料高溫磁特性的研究以及試驗數(shù)據(jù)十分缺乏,給高溫高速永磁電機的設(shè)計研究工作帶來了極大的不便和困難。

因此,本課題組對高速永磁電機中幾種不同類型的軟磁材料進行了高溫磁性能測試和分析[65]。試驗主要測量的樣品參數(shù)如表3所示。樣品除SMC外由多片樣環(huán)薄片堆疊而成,各薄片間添加耐高溫絕緣薄膜,之后在外表纏繞耐高溫絕緣薄膜。SMC材料直接用耐高溫絕緣材料纏繞。圖14和圖15分別為軟磁材料測試樣品和磁性材料測試系統(tǒng)。整個測試系統(tǒng)由溫度補償裝置、磁導率測量裝置、數(shù)據(jù)收集以及軟件計算分析系統(tǒng)組成。

表3 測試樣環(huán)參數(shù)

(a)磁性材料

(a)磁性材料測試設(shè)備

測試之初,將待測樣品放入溫度補償裝置,并與磁性測量設(shè)備相連接。試驗期間,通過調(diào)節(jié)溫度補償裝置使樣品的測試溫度由50 ℃開始,直至絕緣材料的極限溫度400 ℃結(jié)束,溫度間隔為50 ℃,記錄磁性材料的高溫特性變化。

由于測試樣品種類較多,本文只列出了B20AT1500、1J22兩種軟磁材料的高溫磁特性曲線,表4為全部測試樣環(huán)的磁性能結(jié)果。圖16和圖17分別為1J22與B20AT1500在不同溫度下的B-H曲線和μ-H曲線,圖18為測試后的樣品。

表4 不同溫度下的樣環(huán)飽和磁密

(a)B-H曲線

(a)B-H曲線

(a)500 ℃

從表4可以看出:隨著溫度升高,測試樣品的磁密逐漸下降,其中以35W230下降趨勢最為明顯;從μ-H曲線可以看出,當H處于1 000～1 500 A/m時,磁導率下降較為明顯,之后下降趨勢基本保持不變。從B-H曲線可以看出,在400 ℃時,1J22的B-H曲線拐點處的磁密接近2.0 T,磁性能最佳,最適宜用于工作溫度較高的領(lǐng)域。在500 ℃時,樣品的絕緣材料已經(jīng)不能滿足絕緣性能的要求。

(2)絕緣材料選擇。電氣絕緣系統(tǒng)長期處于高溫環(huán)境會引起物理特性發(fā)生變化,加速絕緣老化,絕緣強度受損,最終導致?lián)舸?。為確保電機長期穩(wěn)定運行,EIS必須具備良好的耐熱性、耐腐蝕性和工藝性。EIS按化學性質(zhì)不同主要分為有機EIS和無機EIS。有機EIS以聚酰亞胺(PI)聚合物應用最為廣泛,其具有介電性能強、力學性能好、耐老化性能強、耐高低溫性能優(yōu)異等特點,長期使用溫度范圍達200～260 ℃,短時工作溫度達300 ℃。PI聚合物可以薄膜形式繞包在電纜或電機繞組上,也可以漆的形式用在電機繞組的絕緣浸漬漆、電機內(nèi)導線的絕緣面漆和高壓大型電機的槽部、端部的防暈漆。表5為不同厚度和層數(shù)的PI薄膜在300 ℃下的熱老化數(shù)據(jù)。表6為不同規(guī)格PI漆包線在300 ℃下的熱老化數(shù)據(jù)[66]。

表5 PI漆包線300 ℃時不同老化時間的漆膜電氣強度

表6 PI薄膜300 ℃時不同老化時間的電氣強度

從表5可知,PI薄膜的電氣強度隨著薄膜厚度和層數(shù)的增加而增大。采用多層和較厚的PI薄膜可以有效提高電機定子繞組及定子槽的絕緣強度。從表6可以看出,導線線徑粗,漆膜厚度大,則熱氧化性能好。

在環(huán)境溫度較高、條件比較惡劣的一些特殊應用場合(如深海、深空、核電高溫氣冷堆以及石油井下作業(yè)等)下,要求電機能在300 ℃甚至更高的環(huán)境中持續(xù)工作,有機EIS已經(jīng)不能滿足使用要求,以陶瓷、玻璃纖維為主的無機EIS成為高溫環(huán)境絕緣材料的最佳替代品。玻璃纖維絕緣層厚度大,100～200 μm,不適用于高功率密度電機。陶瓷絕緣層厚度小,10～12 μm,耐熱性及耐超低溫、耐腐蝕性、抗老化性更佳,在無機EIS中應用最為廣泛。

早在1983年,日本便有了陶瓷絕緣電磁線,并應用于托克馬克裝置的探頭。之后,美國Phelps Dodge公司制備了單層、雙層、三層高溫絕緣電磁線,均獲得了應用[67]。Jumonji等在導體材料表面覆蓋陶瓷層,制備了陶瓷絕緣電磁線,能夠在500 ℃以下長期使用[68]。圖19為陶瓷絕緣銅導線截面,表面由鎳和陶瓷涂層構(gòu)成,鎳材料可以防止銅導線氧化以及陶瓷化學結(jié)構(gòu)中銅離子和氧離子之間的化學反應[69-70]。在電機繞組中,羅茲理工大學的Lefik等利用無機EIS研究了高溫永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩和損耗[71]。Cozonac等從絕緣電阻、電容和電壓強度等方面研究了陶瓷絕緣線(CIW)的介電性能,為高溫電機繞組的制造提供了依據(jù)[72]。

圖19 陶瓷絕緣鍍鎳銅導線[70]Fig.19 Ceramic insulated nickel-plated copper wire

目前,陶瓷絕緣材料仍有諸多缺點,如彎曲半徑小、擊穿電壓較低、脆性高等,需要進一步改進。但是,在高溫、腐蝕以及輻射等惡劣環(huán)境中,陶瓷絕緣線是理想的材料,使用時只需針對不同的電機繞組采用不同的灌封技術(shù)即可滿足應用要求。

2.3.2 轉(zhuǎn)子材料選擇

(1)護套、轉(zhuǎn)軸材料選擇。護套和轉(zhuǎn)軸起著避免永磁體發(fā)生形變、促使轉(zhuǎn)子部件長期安全可靠運行的作用。表貼式電機轉(zhuǎn)子護套常用的材料主要有高強度復合材料(如凱夫拉纖維、碳纖維、玻璃纖維等)和高強度特種合金(如鎳合金和鈦合金等)。高強度纖維復合材料強度和電阻率很高,能夠承受更高的轉(zhuǎn)速,且渦流損耗低，但是其熱導率較低不利于永磁體散熱。高強度合金材料的散熱能力、溫度穩(wěn)定性以及剛度均較好，但是電導率較大會產(chǎn)生較大的渦流損耗。圖20為兩種不同護套材料的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。表7為不同護套材料的參數(shù)比較。

(a)碳纖維保護套

(b)金屬保護套

表7 不同護套材料的參數(shù)

轉(zhuǎn)軸作為電機主要受力載體,除了要考慮高溫環(huán)境下材料熱膨脹導致熱變形外,還需具備一定的高溫磁性能,提升電機輸出能力。文獻[73]列出了高溫環(huán)境下轉(zhuǎn)軸可選用的3種材料:①沉淀硬化型高溫轉(zhuǎn)子材料;②彌散硬化型高溫轉(zhuǎn)子材料;③纖維強化型高溫轉(zhuǎn)子材料。

(2)永磁體材料選擇。高溫高速永磁電機永磁材料需要有良好的磁性能,同時還需有較好的熱穩(wěn)定性和耐高溫能力。目前,NdFeB和SmCo永磁材料在高速永磁電機中的應用范圍較廣。表8為幾種規(guī)格永磁材料磁性能參數(shù)比較?？梢钥闯?NdFeB永磁材料的居里溫度較低,永磁材料性能更容易受環(huán)境溫度影響,不適用于高溫場合。相比之下,釤鈷具有居里溫度更高、溫度系數(shù)更低等特點,更適宜于環(huán)境溫度較高、轉(zhuǎn)子散熱困難的工作場合。目前,釤鈷永磁體的工作溫度已經(jīng)可以達到500 ℃以上,2∶17型Sm2Co17永磁材料的最大磁能積超過了262.7×103J/m3。

表8 不同永磁材料的性能參數(shù)

3 轉(zhuǎn)子支撐技術(shù)研究

高速電機中主要采用的軸承分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式軸承主要包括高速滾珠軸承和滑動軸承,非接觸式軸承主要包括空氣軸承和磁懸浮軸承。

高速滾珠軸承成本低、可靠性高,在高速電機中應用比較廣泛。然而,在超高速運行過程中,鋼性滾珠軸承會出現(xiàn)潤滑失效、磨損失效和電磁腐蝕,導致使用壽命下降,可靠性降低。陶瓷材料具有硬度高、密度低、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導率小、自潤滑能力好、承載能力強等優(yōu)點。因此,采用陶瓷材料的高速超精密混合陶瓷軸承的出現(xiàn)成為提高滾珠軸承性能和可靠性的新發(fā)展途徑。圖21為兩種類型陶瓷軸承。表9為陶瓷軸承與鋼性軸承參數(shù)的比較。

(a)全陶瓷軸承

表9 兩種類型滾動軸承的性能參數(shù)

除了考慮機械特性之外,潤滑系統(tǒng)是決定接觸式軸承長期可靠運行的另一關(guān)鍵因素。圖22為高速超精密混合陶瓷軸承常用潤滑脂的工作溫度,綠色區(qū)域是不同潤滑脂允許的長期工作溫度范圍[74]?？梢钥闯?潤滑脂長期最高工作溫度一般不超過150 ℃。在橙色區(qū)域的溫度內(nèi),工作不能超過1 h。高溫高速旋轉(zhuǎn)時,潤滑脂容易產(chǎn)生氧化物,導致潤滑不均勻,使得高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子失穩(wěn),進而產(chǎn)生很大的噪聲且摩擦磨損急劇增大。

圖22 混合陶瓷軸承潤滑脂的工作溫度[74]Fig.22 The operating temperature of hybrid ceramic bearing grease

油氣潤滑系統(tǒng)是另一種廣泛應用于高速滾動軸承的潤滑方式,其通過高速壓縮空氣將潤滑油以霧狀形式輸送到潤滑點,以此對軸承進行持續(xù)有效潤滑,且高速流動的空氣還可對軸承進行一定冷卻,降低軸承溫度。

彈性箔片氣體軸承采用柔性的金屬箔片作為支承元件,利用動壓氣體作為潤滑劑,在高溫、高速方面和其他軸承相比,具有獨特的優(yōu)勢。美國MITI公司研發(fā)的超高速微型燃氣輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速為180×103r/min,峰值功率為8 kW。該電機全部采用彈性箔片氣體軸承支承,其中徑向軸承支承處的轉(zhuǎn)子直徑為15 mm,寬徑比為0.5。在支承燃氣渦輪和壓縮機轉(zhuǎn)子的軸承處,轉(zhuǎn)子溫度高達588～700 ℃。超高速微型渦輪發(fā)電機如圖23所示。

國內(nèi)也有一些單位相繼開展了彈性箔片氣體軸承的研究工作,北京航空航天大學對高速電機的空氣軸承進行了研究[75]。西安交通大學在彈性箔片氣體軸承領(lǐng)域進行了長期的技術(shù)積累,先后承擔了“十五”和“十一五”期間國家“863項目”“100 kW級微型燃氣輪機及其功能系統(tǒng)”的高速電機和彈性箔片氣體軸承的研制任務(wù)。圖24是研制的彈性箔片電磁混合軸承支承的高速發(fā)電機,電機功率為100 kW,轉(zhuǎn)子質(zhì)量為14.5 kg,最高試驗轉(zhuǎn)速為40×103r/min。此外,還完成了彈性箔片氣體軸承支承的10 kW、100～120 103r/min的高速電機的設(shè)計和試驗,最高試驗轉(zhuǎn)速為96×103r/min。

(a)渦輪發(fā)電機

圖24 彈性箔片/電磁混合支撐高速發(fā)電機Fig.24 Elastic foil/electromagnetic hybrid support for high-speed generator

磁懸浮軸承可分為主動磁軸承(active magnetic bearing,AMB)和被動軸承兩種。主動磁軸承需要一定的尺寸空間安裝軸承的定子和轉(zhuǎn)子,且需要安裝位移傳感器進行主動控制。常用的主動式磁懸浮軸承系統(tǒng)由繞組、位置傳感器、功率系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。磁軸承無摩擦磨損、可支承轉(zhuǎn)速高、無需潤滑油、壽命長。然而,由于體積較大、控制復雜,且需要電力、傳感器等的支持,致使整個系統(tǒng)成本較高。

4 轉(zhuǎn)子動力學研究

轉(zhuǎn)子動力學的任務(wù)是研究旋轉(zhuǎn)機械的動力學特性及其各種動力學現(xiàn)象[76],確保電機在高速運行時穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)子和機殼的振動在安全范圍內(nèi)。研究內(nèi)容主要包括系統(tǒng)模態(tài)、不平衡響應和穩(wěn)定性等[77]。

通常,采用滾動軸承支承的轉(zhuǎn)子,工作轉(zhuǎn)速范圍均設(shè)計在一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速以下。由于滾動軸承的剛度很高,在設(shè)計時要盡可能提升轉(zhuǎn)子的彎曲剛度,從而提高其一階臨界轉(zhuǎn)速。采用彈性箔片氣體軸承支承的轉(zhuǎn)子,軸承的剛度要低很多,對于同樣的轉(zhuǎn)子,其一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速要高的多,但會出現(xiàn)兩個對應轉(zhuǎn)子剛體模態(tài)的臨界轉(zhuǎn)速。在高速旋轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)子上的裝配件會受到離心力的作用產(chǎn)生很大的內(nèi)應力,可能使裝配結(jié)構(gòu)失效或部件損壞。

高速永磁電機的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)比較復雜,需要對實際結(jié)構(gòu)進行合理簡化,找出轉(zhuǎn)子振動特性和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的對應關(guān)系,轉(zhuǎn)子動力學分析結(jié)果的準確性依賴于簡化模型的合理性。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是高速永磁電機的核心部件,在運行過程中主要承受重力、離心力、軸承反力等機械力和各種電磁力的作用。高溫環(huán)境下,材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化而增大或減小,轉(zhuǎn)子還會受到熱應力的作用。在轉(zhuǎn)子設(shè)計時,必須進行準確的強度計算和轉(zhuǎn)子動力學分析,確保在高溫環(huán)境下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)達到要求的結(jié)構(gòu)強度和動力學特性,在高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定可靠運轉(zhuǎn)。

5 熱設(shè)計與冷卻系統(tǒng)研究

損耗抑制是高速永磁電機熱設(shè)計的關(guān)鍵。目前,采用的一些方法主要有:使用電磁性能更好的鐵芯材料,或者采用鎳鐵、非晶合金、硅鋼定子鐵芯,繞組線圈采用Litz導線;在永磁體和護套之間放置銅屏蔽,減少轉(zhuǎn)子渦流損耗;將高速永磁電機轉(zhuǎn)子護套開槽、永磁體周向或軸向分段并鍍銅,以此來降低渦流損耗;采用不同的功率變換器拓撲、最佳的脈寬調(diào)制及有效的高速永磁電機控制策略。

熱分析和冷卻方式是高速永磁電機熱管理的核心。關(guān)于高速永磁電機的熱分析方法主要是基于電磁場、溫度場、流場的分析,獲得溫度分布及散熱方式[78-79],而基于多物理場的耦合分析以及多學科的設(shè)計研究是一種趨勢[80-81]。高速永磁電機定子通常采用的冷卻方式有空氣冷卻、定子外側(cè)水冷、定子密閉強油冷卻等。采用空氣冷卻結(jié)構(gòu)時,電機一般為開啟式結(jié)構(gòu),電機通過支撐板筋固定在進氣通道內(nèi),空氣吹拂電機外機殼,并穿過電機氣隙直接冷卻定子繞組端部、轉(zhuǎn)子和定子鐵芯。水冷系統(tǒng)一般是在定子鐵芯外側(cè)設(shè)置水道,由循環(huán)的水路將定子熱量帶走。在定子密閉強油冷卻系統(tǒng)中,冷卻介質(zhì)直接作用于電機定子側(cè)各組件。圖25為定子機殼的不同冷卻通道結(jié)構(gòu)。

(a)軸向Z字型通道

(b)周向通道

(c)螺旋形通道

作者所在課題組在總結(jié)現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,研發(fā)了一種定轉(zhuǎn)子自循環(huán)一體式冷卻系統(tǒng),如圖26和圖27所示。并且,基于流體力學、傳熱學建立了高速永磁電機流場和溫度場耦合模型,計算和分析了電機的溫度、流體耦合場,實現(xiàn)了高速永磁電機電磁、溫度和流場的耦合分析[82]。

圖26 自循環(huán)一體化冷卻結(jié)構(gòu)[82]Fig.26 Self-circulating integrated cooling structure

圖27 冷卻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[82]Fig.27 Cooling rotor structure

6 驅(qū)動控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀態(tài)

高速永磁電機通常采用高頻變頻器供電,其驅(qū)動控制系統(tǒng)往往具有以下特點:①高速永磁電機轉(zhuǎn)子頻率高,而功率器件的開關(guān)頻率有限,因此電機高速運行時載波比較低,導致定子電流諧波含量增加;②高速永磁電機繞組電感較小,由PWM調(diào)制出的方波電壓會產(chǎn)生較大的電流紋波,導致定子電流諧波含量增加,尤其在空載狀態(tài)下更為明顯;③為實現(xiàn)對電機的有效控制,需要實時獲取轉(zhuǎn)子位置和速度,在高速甚至超高速情況下,難以通過安裝傳感器可靠精確的檢測其轉(zhuǎn)子信息,且加裝位置傳感器會增加系統(tǒng)體積和成本,降低系統(tǒng)可靠性。因此,抑制電流諧波含量、獲取準確轉(zhuǎn)子位置信息、確保電機可靠穩(wěn)定運行成為了高速永磁同步電機驅(qū)動控制的關(guān)鍵問題。

在電流諧波抑制方面,加入LC濾波器是目前抑制逆變器產(chǎn)生時間諧波的主要方法,其擁有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的優(yōu)勢。文獻[83]提出了一種模型預測控制的LCL逆變器控制方法;文獻[84]提出了一種基于可調(diào)電感的可調(diào)式逆變器輸出濾波器;文獻[85]研制了輸出1.4×103Hz、1 MW的三電平高速電機大功率驅(qū)動器,采用SiC和Si器件的混合拓撲,滿足飛機混合電機推進系統(tǒng)的需求;文獻[86]針對碳化硅器件易產(chǎn)生過電壓的問題,提出了一種RL濾波器設(shè)計準則。在無位置控制技術(shù)方面,主要基于反電動勢獲取轉(zhuǎn)子位置信息。常用的方法有磁鏈位置估計法、模型參考位置估計法、卡爾曼濾波器位置估計法、智能控制方法和狀態(tài)觀測器的位置估計法。根據(jù)觀測器不同,又有許多不同的觀測方法,比如滑模觀測器和龍伯格觀測器等。

高溫環(huán)境條件下,高速永磁電機的反電勢、繞組磁鏈和電感發(fā)生改變,使得驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略受到影響。此外,驅(qū)動系統(tǒng)均由電子元器件構(gòu)成,元器件材料溫度特性的變化會使驅(qū)動系統(tǒng)的控制性能以及可靠性受到影響。驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究和分析需結(jié)合電機的電磁參數(shù)和元器件的溫度特性,才能充分考慮環(huán)境對電機系統(tǒng)特性的影響,提高電機綜合控制品質(zhì)。文獻[87-89]從應用的角度分析了元器件參數(shù)與環(huán)境的關(guān)系特性,并研制出了耐特殊環(huán)境的器件;文獻[90]分析了電容器壽命與溫升之間的關(guān)系特性;文獻[91]提出了一種復合控制策略,在高溫環(huán)境中具有較好的抗擾動和控制特性;文獻[92]對部分元器件進行了高溫測試,并根據(jù)測量結(jié)果和仿真模型得到了高溫下永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)正常工作的參數(shù)值的選取范圍。

總體上,國內(nèi)外對高溫條件下驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究主要針對某一特定環(huán)境和特殊用途,大范圍環(huán)境參數(shù)下的特性研究較少。在復雜的環(huán)境條件下,驅(qū)動系統(tǒng)面臨諸多因素干擾。對極端環(huán)境下驅(qū)動系統(tǒng)特性進行深入和全面分析,提升其動態(tài)性、抗擾性和穩(wěn)定性,形成理論體系,具有重要的意義。

7 結(jié) 論

國內(nèi)外發(fā)展和研究現(xiàn)狀表明,針對高溫環(huán)境下高速和超高速永磁電機的研究與應用較少,有關(guān)設(shè)計與分析方面存在諸多問題亟待解決。本文闡述了以下5個問題。

(1)磁性材料。軟磁材料和永磁材料的溫度特性是與溫度相關(guān)的復雜函數(shù),是制約高溫條件下高速永磁電機的關(guān)鍵因素,測試并建立軟磁材料溫度特性相關(guān)數(shù)據(jù)及理論,提升磁性材料高溫的磁性能,需要繼續(xù)展開深入的研究。

(2)定轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)。本文介紹并分析了不同溫度下高速永磁電機定轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)的類型和特點。由于高溫環(huán)境的因素,開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、安裝方便、性能優(yōu)異的新型定轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)是未來高溫高速永磁電機的一個研究熱點。

(3)損耗計算。溫度導致磁性材料磁性能變化,進而影響電機損耗。建立高溫環(huán)境下高速電機定轉(zhuǎn)子損耗的理論分析方法、計算模型以及試驗驗證等具有重要意義。

(4)熱管理與冷卻系統(tǒng)。損耗的計算和抑制是高速永磁電機熱設(shè)計和熱管理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。在高溫環(huán)境下應用時,電機散熱與冷卻系統(tǒng)是提升電機功率密度的重要因素。改善電機冷卻方式,對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行直接冷卻,提升電機整體散熱,還有待進一步研究。

(5)驅(qū)動控制系統(tǒng)。高溫環(huán)境條件下,受電機參數(shù)和元器件材料特性的影響,控制系統(tǒng)的可靠性和控制性能受到擾動。研究分析元器件溫度特性,提升驅(qū)動控制系統(tǒng)的抗擾性,將成為高溫高速永磁電機系統(tǒng)的一個研究熱點。

綜上所述,深海、深空、極地資源探索和國防工業(yè)的快速發(fā)展,給未來高速永磁電機的應用提供了廣闊前景,又帶來了極大的挑戰(zhàn)。極端環(huán)境下電機系統(tǒng)的長期可靠運行是至關(guān)重要的核心問題。未來,高溫高速永磁電機的主要研究和發(fā)展方向為:高性能耐溫材料、新工藝方法、新型拓撲結(jié)構(gòu)在電機上的應用;基于溫度特性的損耗分析計算方法;耐高溫絕緣系統(tǒng);基于溫度特性的轉(zhuǎn)子支撐技術(shù)等。因此,探索高溫環(huán)境下高速永磁電機系統(tǒng)的設(shè)計方法與技術(shù)準則,總結(jié)相關(guān)規(guī)律,推動高速永磁電機在極端環(huán)境下的應用范圍,具有深遠的意義。