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科学瞎想系列之四十八 高速电机为什么那么难搞

所谓高速电机就是转速很高的电机,究竟多高转速的电机算高速电机,没有一个严格的定义,通常说转速超过10000转/分钟的电机就算高速电机,其实这也就是那么一种说法,转速大于10000转/分钟与小于10000转/分钟在本质上并没有一个分水岭式的意义和区别,与其从转速上区分高低速电机倒不如从转子表面线速度上区分更科学些,因为电机里的许多限制条件与线速度密切相关。因此我们这里所说的高速电机就是指利用一般电机设计制造技术难以满足电机高转速要求,必须特殊考虑的那些电机。

学过电机设计的宝宝们都知道,电机转速的高低与电机的体积重量密切相关,同样功率的电机转速越高体积重量越小。随着电机技术和电力电子技术的飞速发展,高速越来越被人们重视,许多高速设备希望去掉变速箱,直接用高速电机来驱动(即所谓的"直驱"),以简化系统、降低成本、提高效率。从电机本身来讲,也希望通过提高转速减小体积重量以降低成本。因此,近年来高速电机的需求越来越大,许多厂家也纷纷打出高速电机的招牌,然而,真正要订货,却难以找到技术成熟的货架产品。这么好的事,厂家用户都在追求的一种东东,怎么就很少有成熟的产品呢?前面说了,不是厂家不想做,而是研发高速电机的难度不是一般的大,那是相当的大,难在哪呢?今天老师就给宝宝们说说高速电机为什么那么难搞。

1 轴承的限制。旋转电机都离不开轴承,传统的轴承除了它的承载能力外还有一个重要的制约条件,那就是它的dn值(其实这个值代表了轴承档的线速度),所谓dn值就是轴承档的直径与转速的乘积,一般来讲,轴承的dn值不能超过2*10^6,如果电机转速过高功率又比较大,那必然会受到这个值的制约,采用一般的轴承就不能满足要求了。解决这个问题一方面需要轴承行业提高技术,另一方面需要另辟蹊径,采用一些新技术,如气悬浮轴承、磁悬浮轴承等。

2 转子结构限制。转子高速旋转时,转子上的零部件必然会受到强大离心力的作用,还有气隙磁场径向和切向电磁力的作用,当转速高到一定程度,则相关的结构强度就会受到制约,特别是转子绕组端部、磁钢的紧固结构、槽根部、槽契、磁极紧固结构、转子铸铝结构或铜条焊接、换向器等零部件和结构都会受到制约,传统的设计和紧固方法已不能满足要求,必须采取特殊的设计和工艺来保证。解决这方面的新技术包括高强度不锈钢套、磁钢內嵌设计技术、高强度玻璃纤维打箍技术、高强度碳纤维打箍技术、焊接新技术、高强度硅钢材料技术、实心转子技术等。

3 转子动力学限制。一般电机的转速都会远低于转子结构的一阶临界转速,称为"刚性转子",不必考虑转子二阶以上的振动模态和变形,但高速电机转速可能会超过一阶甚至二阶临界转速,称为"柔性转子",这种转子旋转时就像面条一样软,这就必须要对转子进行精确的动力学分析计算,采取相应的抑制措施。需要的技术包括转子动力学的精确仿真计算、柔性转子的平衡技术、转子刚度平衡技术、轴钢材料技术等。

4 发热及冷却方面的限制。高速电机体积重量小,是其突出优点,但体积的减小必然带来散热面积的减小,而电机的效率是不会有太大差异的,这就意味着同功率电机的损耗(即发热量)差异不大,而散热面积差异很大,因此高速电机的冷却散热问题就显得非常突出。另一方面从电机发热角度看,由于电机转速极高,通常频率会很高,而铁耗与频率的1.3~1.5次方成正比,因此铁耗增大会非常突出,另外转速极高使得风磨损耗和杂散损耗也会急剧恶化,老师就曾见过由于转子表面光洁度不够,高速运行时仅空气摩擦就把转子表面烧变颜色的案例。一方面散热恶化,另一方面发热也不消停,再加上由于转子紧固结构需要打箍或镶不锈钢套,不锈钢套是金属良导电体,会增加转子杂散损耗,而打箍材料无论是玻璃钢还是碳纤维都是热的不良导体,各种因素的叠加使得高速电机的温升成为一个非常棘手的问题。解决途径包括精确的电磁和热计算技术、先进的冷却技术(如蒸发冷却技术等)和冷却结构、先进的材料技术等。

5 振动噪声限制。振动和噪声是电机的重要技术指标,高速电机由于转速很高,使得激振频率很高,加之电机细长,质量较轻,阻尼比较小,振型丰富,易产生各种频率的振动。振动是噪声之源,振动大则结构噪声必然会大,且由于转速极高也容易产生较大的空气噪声。试验时经常会遇到还未达到规定的转速振动和噪声就已经大得无法继续试验下去了。因此减振降噪是高速电机必须解决的问题,也是特别难搞定的问题,需要在电磁设计、结构设计等方面综合考虑。

6 结构尺寸方面的限制。从理论上讲,高速电机尺寸较小是其最大的优势,但与低速电机相比,同功率的电机如果电压也相同,那么电流就会相同或相近,所用的引出线截面并不会减小,在相对低速的电机中,由于电机体积较大,有足够大的空间布置引出线,电缆引出往往不存在任何问题,而高速电机内部空间尺寸狭小,特别是绕组端部,往往没有空间容纳截面较大的引出电缆,因此高速电机的电缆引出就成了一个大问题,必须专门予以考虑。甚至不得不为此专门放大体积尺寸,使得高速电机体积小的优势大打折扣。

7 控制方面的限制。高速电机通常都要用变频器进行控制,由于转速极高,导致基频很高,而电力电子器件的开关频率是有限的,而且开关频率过高会使器件发热严重,变频器效率降低。在一定的开关频率下,调制出较高的基频必然使得调制比降低,谐波增大,波形变差,进一步恶化电机的发热和效率,从而制约了转速的进一步提高。通常配高速电机的变频器需要专门设计。

8 加工方面的限制。高速电机尺寸配合精度高,形位公差和粗糙度要求高,需要精密的加工设备和工艺来保证。除此之外由于高速电机的许多特殊设计往往要靠特殊的工艺技术来保证,如特殊的焊接工艺(离子束焊、电子束焊、搅拌摩擦焊等)、碳纤维打箍工艺、薄壁件精密机加工艺、高速动平衡工艺等等。

9 材料限制。前面已经说了,高速电机会涉及到许多新材料的应用,如高强度低损耗导磁材料、耐高温稀土永磁材料、高强度玻璃纤维和碳纤维材料、耐高dv/dt绝缘材料等等。

10 电磁兼容方面的限制。高速电机基波频率已很高,加之高次谐波较大,使得电磁发射能量较大,不仅传导发射大,高频辐射也成为不得不重点考虑的因素,否则会对周围电器设备造成电磁干扰; 又由于高速电机转速极高,若对其精确控制不仅需要分辨率极高的传感器,而且控制信号的频率会更高,控制器动态性能要求更高,这势必造成控制器的敏感性高,抗干扰能力变差。因此高速电机的电磁兼容性能也是一个不容忽视的问题。

正因为以上的原因才导致高速电机虽然很热门,但真正搞出成熟产品却极其困难,上面列出的因素只是高速电机所遇到的主要问题,另外还有一些细节问题老师就不赘述了,当然根据产品种类、结构以及用途的不同,上面的问题也并不是所有高速电机都会遇到,但总会遇到其中的几个方面问题。上面十个方面的问题涉及众多专业,对于搞高速电机的宝宝们,如果你在上述十个方面都能说出点道道,或一两个方面搞精,那你就牛X了,你就可以找老板要求涨工资了,否则还是好好自己再修炼。对于采购使用高速电机的宝宝们,别净听厂家瞎忽悠,你去找他们考察、洽谈,找他们最牛的人就针对以上十个方面提问题,看他们的回答就知道这家产品靠不靠谱。对于招聘高速电机人才的单位,面试时从以上十个方面问,即可鉴别出是不是干高速电机的材料。当然以上十个方面涉及专业面广,不能说每个方面都可以写出一本书,但每个方面都可以写几篇像回事的论文,写几篇瞎想还是木有问题的。好了,今天就说这些吧,如果宝宝们对哪方面问题感兴趣下来我们可以单练,谁让老师是全才呢!真是木办法!


文章分类: 行业资讯
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