高速電機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計特點(diǎn)（定子設(shè)計、不同類型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計）

高速電機(jī)具有體積小、功率密度大、可與高速負(fù)載直接相連、省去傳統(tǒng)的機(jī)械增速裝置、減小系統(tǒng)噪音和提高系統(tǒng)傳動效率等特點(diǎn)，在高速磨床、空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、儲能飛輪、燃料電池、天然氣輸送高速離心壓縮機(jī)以及作為飛機(jī)或艦載供電設(shè)備的分布式發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已成為國際電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

高速電機(jī)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子速度高、定子繞組電流和鐵心中磁通頻率高、功率密度和損耗密度大。這些特點(diǎn)決定了高速電機(jī)具有不同于常速電機(jī)特有的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計方法。

高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度通常高于10 000 r/min，在高速旋轉(zhuǎn)時，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受巨大的離心力，需要采用特殊的高強(qiáng)度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；對于永磁電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度問題更為突出，因?yàn)闊Y(jié)而成的永磁材料不能承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，必須對永磁體采取保護(hù)措施；轉(zhuǎn)子與氣隙高速摩擦，在轉(zhuǎn)子表面造成的摩擦損耗遠(yuǎn)大于常速電機(jī)，給轉(zhuǎn)子散熱帶來很大困難；為了保證轉(zhuǎn)子有足夠的強(qiáng)度，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子多為細(xì)長型，因此與常速電機(jī)相比，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)接近臨界轉(zhuǎn)速的可能性大大增加，為了避免發(fā)生彎曲共振，必須準(zhǔn)確預(yù)測轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速；普通電機(jī)軸承無法在高速下可靠運(yùn)行，必須采用高速軸承系統(tǒng)。

高速電機(jī)繞組電流和鐵心中磁通交變頻率很高，會在電機(jī)繞組、定子鐵心以及轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生較大的高頻附加損耗。定子電流頻率較低時，通?？梢院雎在吥w效應(yīng)和鄰近效應(yīng)對繞組損耗的影響，但在高頻情況下，定子繞組會產(chǎn)生明顯的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，增大繞組附加損耗；高速電機(jī)定子鐵心中磁通頻率高，趨膚效應(yīng)的影響不能忽略，常規(guī)的計算方法會帶來較大誤差，為了準(zhǔn)確計算高速電機(jī)的定子鐵心損耗，需要探索高頻工況下的鐵耗計算模型；定子開槽與繞組非正弦分布引起的空間諧波以及PWM供電產(chǎn)生的電流時間諧波均會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生較大的渦流損耗，由于轉(zhuǎn)子體積小、散熱條件差，會給轉(zhuǎn)子散熱帶來極大困難，因此轉(zhuǎn)子渦流損耗的準(zhǔn)確計算以及探索有效降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的措施，對高速電機(jī)可靠運(yùn)行具有重要意義；同時，高頻電壓或電流也給大功率高速電機(jī)的控制器設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。

高速電機(jī)的體積遠(yuǎn)小于同等功率的常速電機(jī)，不僅功率密度和損耗密度大，而且散熱困難，如果不采用特殊散熱措施，會使電機(jī)溫升過高，從而縮短繞組壽命，特別對于永磁電機(jī)，在轉(zhuǎn)子溫升過高的情況下，永磁體易發(fā)生不可逆退磁。設(shè)計良好的冷卻系統(tǒng)，能有效降低定轉(zhuǎn)子溫升，是大功率高速電機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

綜上所述，高速電機(jī)在轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)、電磁設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計與溫升計算、高速軸承以及控制器的研制等方面存在許多常規(guī)電機(jī)所不具有的特殊關(guān)鍵問題，因此高速電機(jī)的設(shè)計是一個集電磁場-轉(zhuǎn)子強(qiáng)度-轉(zhuǎn)子動力學(xué)-流體場與溫度場等多物理場多次迭代的綜合設(shè)計過程。目前應(yīng)用于高速領(lǐng)域的電機(jī)類型主要有感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)以及爪極電機(jī)，每種電機(jī)類型又有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文對國內(nèi)外不同類型高速電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，總結(jié)了現(xiàn)有不同類型高速電機(jī)的極限指標(biāo)；詳細(xì)分析了高速電機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計特點(diǎn)，包括定子設(shè)計、不同類型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)分析與軸承選取以及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計等，最后分析了高速電機(jī)發(fā)展所面臨的主要問題，展望了高速電機(jī)的發(fā)展趨勢與前景。

1　高速電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

高速電機(jī)通常指轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min或難度值(轉(zhuǎn)速和功率平方根的乘積)超過1×105的電機(jī)，現(xiàn)有的各類電機(jī)中，成功實(shí)現(xiàn)高速化的主要有感應(yīng)電機(jī)、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)以及少數(shù)外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)和爪極電機(jī)等。為了分析各類型高速電機(jī)的特點(diǎn)，在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上，本文對國內(nèi)外各類型高速電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了進(jìn)一步的總結(jié)和擴(kuò)展，并按照難度值進(jìn)行了排列。

1.1　高速感應(yīng)電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量低，并能在高溫和高速的條件下長時間運(yùn)行，因此感應(yīng)電機(jī)在高速領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。表1給出了國內(nèi)外高速感應(yīng)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀。國內(nèi)外最大功率的高速感應(yīng)電機(jī)為15 MW，轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，為ABB公司2002年研制，采用實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；高速感應(yīng)電機(jī)最大速度為180 000 r/min，功率為10 kW，采用磁懸浮軸承，實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，線速度為219 m/s，電機(jī)的效率約為85%。國內(nèi)對高速感應(yīng)電機(jī)的研究相對滯后，其中重慶德馬電機(jī)研制了一系列高速感應(yīng)電機(jī)，海軍工程大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及浙江大學(xué)等針對高速感應(yīng)電機(jī)開展了許多研究工作，海軍工程大學(xué)對2.5 MW高速感應(yīng)電機(jī)開展了研究，重慶德馬電機(jī)研制了100 kW、25 000 r/min高速感應(yīng)電機(jī)，國內(nèi)高速感應(yīng)電機(jī)的發(fā)展水平遠(yuǎn)低于國外。

從表1可看出，采用實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高速感應(yīng)電機(jī)最大難度值高達(dá)24.49×105，轉(zhuǎn)子表面線速度可達(dá)367 m/s，而采用常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高速感應(yīng)電機(jī)最大難度值僅為3×105，轉(zhuǎn)子表面線速度最高為185 m/s；在難度值大于3×105或轉(zhuǎn)子表面線速度大于185 m/s的高速感應(yīng)電機(jī)多采用實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或高強(qiáng)度疊片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[24]介紹的一臺2 000 kW、15 000 r/min、轉(zhuǎn)子表面線速度為290 m/s的高速感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用了AISI4130合金鋼鑄成的高強(qiáng)度疊片結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[36]介紹的一臺5 kW、92 500 r/min、轉(zhuǎn)子表面線速度為240 m/s的高速感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子也采用了高強(qiáng)度合金鑄成的疊片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

1.2　內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)

永磁電機(jī)具有效率和功率因數(shù)高及轉(zhuǎn)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)，因此其在高速應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞。相對于外永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)子半徑小及可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，成為高速電機(jī)的首選。

內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀如表2所示?？梢钥闯?，內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)的最大功率已達(dá)8 MW，轉(zhuǎn)速15 000 r/min，為面貼式永磁轉(zhuǎn)子，采用碳纖維保護(hù)套捆扎；最高轉(zhuǎn)速的永磁電機(jī)為500 000 r/min，功率為1 kW，轉(zhuǎn)子表面線速度為261 m/s，采用合金保護(hù)套。國內(nèi)對高速永磁電機(jī)的研究主要集中在浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天電機(jī)、東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、江蘇大學(xué)、北京交通大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、南車株洲電機(jī)有限公司等，他們對高速永磁電機(jī)有面貼式(SPM)和內(nèi)置式(IPM)兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。從表2可看出，除少數(shù)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外，其余多采用面貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[89]對一臺11 kW、50 000 r/min的高速永磁電機(jī)設(shè)計了內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該電機(jī)轉(zhuǎn)子表面線速度為233 m/s，轉(zhuǎn)子采用高強(qiáng)度疊片材料。采用常規(guī)疊片材料的高速內(nèi)置式永磁電機(jī)，最大難度值為1.13×105，最大轉(zhuǎn)子表面線速度為135 m/s。

表1　高速感應(yīng)電機(jī)的發(fā)展

Tab.1　Development of high speed induction machine

注：*表示國內(nèi)高速電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。

表2　內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)的發(fā)展

Tab.2　Development of high permanent magnet machine

with inner rotor

續(xù)表2

注：*表示國內(nèi)高速電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。

表貼式永磁轉(zhuǎn)子主要有兩種保護(hù)措施，一種是采用碳纖維捆扎，一種是采用合金護(hù)套。從表2可看出，采用合金護(hù)套時，高速電機(jī)的最大難度值為6.49×105，最大功率為135 kW，最大轉(zhuǎn)子表面線速度為294 m/s。而采用碳纖維捆扎的高速電機(jī)最大功率高達(dá)8 000 kW，最大表面線速度為314 m/s。

1.3　高速開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)以結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉以及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目，在高速領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，國內(nèi)外高速開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀如表3所示。高速開關(guān)磁阻電機(jī)目前可達(dá)的最大難度值為3.51×105，最大功率為250 kW(轉(zhuǎn)速22 000 r/min)，最高轉(zhuǎn)速為200 000 r/min(功率1 kW)。南京航空航天大學(xué)、北京交通大學(xué)、湖南工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等對高速開關(guān)磁阻電機(jī)開展了相關(guān)研究工作，其中南京航空航天大學(xué)研制了1 kW、130 000 r/min的開關(guān)磁阻電機(jī)。

表3　高速開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展

Tab.3　Development of high speed switched reluctance machine

注：*表示國內(nèi)高速電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。

1.4　其他類型高速電機(jī)

高速電機(jī)除上述3種類型的電機(jī)外，還有少數(shù)外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)與爪極電機(jī)。本文對國內(nèi)外其他類型的高速電機(jī)進(jìn)行的不完全統(tǒng)計如表4所示。外轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)最高難度值為3.17×105(28 kW、60 000 r/min)，最大功率為100 kW，最高轉(zhuǎn)速為60 000 r/min。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)、浙江大學(xué)針對外轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)開展了相關(guān)的研究工作，沈陽工業(yè)大學(xué)對雙定子單轉(zhuǎn)子軸向磁通電機(jī)和外轉(zhuǎn)子爪極高速電機(jī)進(jìn)行了一定研究。

表4　其他類型高速電機(jī)的發(fā)展

Tab.4　Development of other types high speed machines

注：*表示國內(nèi)高速電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。

1.5　不同類型高速電機(jī)的比較分析

基于國內(nèi)外高速電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)文獻(xiàn)，本文在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有不同類型和結(jié)構(gòu)高速電機(jī)的極限指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計，如表5所示。實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)可達(dá)到的難度值和轉(zhuǎn)子表面線速度最大，采用碳纖維保護(hù)措施的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)次之。這兩種結(jié)構(gòu)高速電機(jī)的難度值均超過了10×105、轉(zhuǎn)子表面線速度超過了300 m/s。兆瓦級以上的高速電機(jī)類型多為實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)和碳纖維保護(hù)措施的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，也有少數(shù)高強(qiáng)度疊片感應(yīng)電機(jī)。高強(qiáng)度疊片感應(yīng)電機(jī)的最大難度值和轉(zhuǎn)子表面線速度與采用合金護(hù)套的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)接近，分別為6.5×105和290 m/s，但采用合金護(hù)套的內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)目前達(dá)到的最大功率僅為135 kW，因?yàn)楹辖鹱o(hù)套中會產(chǎn)生大量的渦流損耗，不宜用于較大功率的高速永磁電機(jī)。高速開關(guān)磁阻電機(jī)、常規(guī)疊片高速感應(yīng)電機(jī)、外轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)的最大難度值相近，約為3×105～3.5×105，目前階段的最大功率均在300 kW以下，最大轉(zhuǎn)子表面線速度在185～210 m/s之間。內(nèi)置式高速永磁電機(jī)的最大難度值低于1.2×105，高強(qiáng)度疊片內(nèi)置式永磁電機(jī)的最大表面線速度可達(dá)233 m/s，但采用常規(guī)疊片時僅為135 m/s。爪極電機(jī)所能承受的難度值最低，小于1×105。

表5　現(xiàn)有不同類型高速電機(jī)的極限指標(biāo)

Tab.5　Summary of high-speed machine limits

從以上分析可知，感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)是高速電機(jī)最常用的3種類型。文獻(xiàn)[134]基于20 kW、26 000 r/min的高速電機(jī)，對采用3種不同類型轉(zhuǎn)子的電機(jī)性能進(jìn)行了對比，得到永磁電機(jī)的效率和功率密度最高，開關(guān)磁阻電機(jī)的效率居中、功率密度最低。表6對3種轉(zhuǎn)子類型高速電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。雖然永磁電機(jī)具有較高的效率與功率密度，但永磁體抗拉強(qiáng)度低、抗高溫特性較差，需要特殊的保護(hù)措施和良好的散熱條件，加工較復(fù)雜。

表6　不同類型高速電機(jī)的對比

Tab.6　Comparisons of different types high speed machine

2　定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1　極數(shù)

高速電機(jī)一般設(shè)計為2極或4極。對于2極電機(jī)，永磁體可采用整體結(jié)構(gòu)，定子電流和鐵心中磁場的交變頻率較低，有利于降低高頻附加損耗，但2極電機(jī)的定子繞組端部較長、鐵心軛部較厚。4極電機(jī)與2極電機(jī)相反，定子繞組端部較短，鐵心軛部較薄，但定子繞組電流和鐵心中磁場的交變頻率較高。

2.2　槽數(shù)

槽數(shù)有多槽、少槽和無槽3種方案可選擇。無槽方案不產(chǎn)生高頻齒諧波磁場，對減小轉(zhuǎn)子渦流損耗十分有利，但氣隙較大，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通密度小，永磁材料利用率低。少槽方案氣隙磁通密度諧波幅值大，轉(zhuǎn)子渦流損耗大，這對于高速電機(jī)來說是不可取的。多槽方案既可獲得較高的氣隙磁通密度，提高材料利用率，又不會產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)子渦流損耗。

2.3　鐵心材料

高速電機(jī)頻率高，高頻下的定子鐵心將產(chǎn)生較大的鐵耗，通過合理選取定子鐵心材料，可有效降低定子損耗，提高電機(jī)的電磁性能。圖2為不同定子材料單位重量鐵耗隨頻率的變化曲線。其中，B20AT1500、B27AH1500、B35AH300分別為0.2 mm、0.27 mm和0.35 mm的硅鋼片材料，Vacoflux50為0.2 mm的鈷鋼片，Somaloy700為軟磁復(fù)合(SMC)材料，Metglas2605SA1為非晶合金材料。從圖2可看出，非晶合金材料的單位鐵耗遠(yuǎn)小于其他材料，但該種材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低(為1.2～1.3 T)，適用于鐵心磁通密度較低的高速電機(jī)。當(dāng)電機(jī)的工作頻率低于1 000 Hz時，SMC材料單位鐵耗值高于普通硅鋼片，當(dāng)工作頻率高于2 000 Hz時，SMC材料才能有效減小高速電機(jī)的鐵心損耗。單位鈷鋼片的損耗值小于硅鋼片，但鈷鋼片的抗拉強(qiáng)度較小，約為硅鋼片的一半。

圖2　不同定子鐵心材料的損耗曲線
Fig.2　Losses of different core materials

2.4　定子繞組

傳統(tǒng)定子繞組端部較長，增加了轉(zhuǎn)子的軸向長度，從而降低了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度。環(huán)型繞組結(jié)構(gòu)可有效縮短定子繞組端部長度，其不利之處是線圈嵌線工藝較復(fù)雜。

高速電機(jī)頻率較高，會在定子繞組的導(dǎo)體中產(chǎn)生較大的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，從而造成附加損耗，為了降低定子繞組中的損耗，定子繞組須采用許多根較小直徑的細(xì)導(dǎo)線并聯(lián)繞制，繞組的導(dǎo)體半徑r一般要小于磁場在導(dǎo)體中的透入深度，即為

式中，μ為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；σ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率；ω為交變磁場角頻率。

文獻(xiàn)[11]對圓銅線繞組的交直流損耗進(jìn)行了分析，當(dāng)電機(jī)頻率在1 kHz以下時，定子繞組的交、直流損耗比約為1，可忽略趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響；文獻(xiàn)[49]對一臺5 MW、6.3 kV的高速永磁電機(jī)采用了扁銅線繞組結(jié)構(gòu)，并對定子繞組損耗進(jìn)行了分析，分析結(jié)果顯示，當(dāng)頻率為400 Hz時，定子繞組的交流損耗約為直流損耗的3倍，因此扁銅線繞組的交、直流損耗比受頻率影響非常明顯，在進(jìn)行高頻銅耗計算時，必須考慮趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響。

3　轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計

3.1　籠型轉(zhuǎn)子

3.1.1　轉(zhuǎn)子槽型

高速疊片式籠型轉(zhuǎn)子通常采用閉口槽，閉口槽類型主要有圓形槽、水滴槽、平行槽3種，如圖3所示。圓形槽的優(yōu)勢為對轉(zhuǎn)子鐵心上應(yīng)力的分布影響較小，可保證轉(zhuǎn)子具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，工藝簡單、成本低，而缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)子齒磁通密度易產(chǎn)生局部過大，導(dǎo)條電流密度過高，轉(zhuǎn)子銅耗較大。水滴槽和平行槽是在圓形槽之上改良的，可有效減小轉(zhuǎn)子齒磁通密度，同時增大了導(dǎo)條面積，減小了導(dǎo)條上的電流密度，具有較小的轉(zhuǎn)子銅耗，但機(jī)械強(qiáng)度低于圓形槽。

圖3　轉(zhuǎn)子槽型
Fig.3　Rotor slot structures

3.1.2　轉(zhuǎn)子銅條材料

純銅在溫度較高的情況下會發(fā)生軟化現(xiàn)象，因此在高速感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計中，主要采用銅合金作為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料。表7列出了幾種常用的銅合金材料屬性，在選擇導(dǎo)條材料時，要綜合考慮機(jī)械強(qiáng)度和轉(zhuǎn)子銅耗，在保證機(jī)械強(qiáng)度的情況下，應(yīng)選擇電導(dǎo)率較大的銅合金。

表7　不同導(dǎo)體材料屬性

Tab.7　Properties of different conductor materials

3.1.3　端環(huán)的保護(hù)

感應(yīng)電機(jī)的端環(huán)與銅條是焊接而成的，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時，焊接處易發(fā)生損壞，因此必須對端環(huán)進(jìn)行保護(hù)，目前最常用的保護(hù)措施是用鉚釘將端環(huán)與轉(zhuǎn)子鐵心固定在一起以增加轉(zhuǎn)子整體的機(jī)械強(qiáng)度，如圖4所示。

圖4　轉(zhuǎn)子端環(huán)保護(hù)
Fig.4　Rotor end ring protection

3.2　實(shí)心轉(zhuǎn)子

實(shí)心轉(zhuǎn)子高速感應(yīng)電機(jī)有如圖5所示的4種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)基于一臺75 kW、60 000 r/min的高速感應(yīng)電機(jī)，對4種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和損耗進(jìn)行了比較分析，如圖6所示。可以看出，實(shí)心鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和銅屏蔽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度較好，開槽實(shí)心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但實(shí)心鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子渦流損耗最大，開槽實(shí)心轉(zhuǎn)子次之；銅屏蔽轉(zhuǎn)子和籠型實(shí)心轉(zhuǎn)子因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子材料中有銅導(dǎo)體，這些銅導(dǎo)體為電流提供了通路，能夠減小一部分渦流，所以這兩種轉(zhuǎn)子的損耗比另外兩種轉(zhuǎn)子損耗低。

圖5　實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
Fig.5　Solid rotor structures

圖6　不同實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和轉(zhuǎn)子渦流損耗比較
Fig.6　Comparisons of stress and rotor eddy current loss?
with different solid rotor structures

3.3　永磁轉(zhuǎn)子

3.3.1　永磁材料

常用的永磁體材料主要有NdFeB和SmCo。NdFeB材料的剩磁密度和矯頑力較大，但易受溫度影響，最大可承受溫度約為220 ℃，抗拉強(qiáng)度約為80～140 MPa，SmCo材料的剩磁密度較小，受溫度影響較小，可承受的溫度高達(dá)350 ℃，但抗拉強(qiáng)度小，約為25～35 MPa，使用SmCo永磁材料時會增加保護(hù)套厚度和等效氣隙長度。

3.3.2　內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子

為了改善傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)行時易在隔磁橋處應(yīng)力過大的問題，內(nèi)置式高速永磁轉(zhuǎn)子多采用永磁體分段，并在永磁體段間設(shè)置加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)。圖7列舉了幾種常用的內(nèi)置式高速永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖7a為一字形永磁體分段結(jié)構(gòu)，該種分段結(jié)構(gòu)也可采用V形和W形等結(jié)構(gòu)型式。文獻(xiàn)[95]在8 kW、40 000 r/min的高速永磁電機(jī)中采用了2極結(jié)構(gòu)，分析了永磁體層數(shù)及每層加強(qiáng)筋數(shù)量等對電磁特性和轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響，永磁體層數(shù)對轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響很小，可忽略不計，最終樣機(jī)采用了圖7d所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)具有較小的漏磁系數(shù)。文獻(xiàn)[5]介紹了一種新型切向式高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖7e所示，C形硅鋼片掛在高強(qiáng)度的不導(dǎo)磁軸上，永磁體為不等厚結(jié)構(gòu)，靠近轉(zhuǎn)軸處較厚，沿半徑方向逐漸減小，這種結(jié)構(gòu)即可降低硅鋼片應(yīng)力，又擁有較小的漏磁系數(shù)。

圖7　內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
Fig.7　Interior permanent magnet rotor structures

3.3.3　表貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其保護(hù)措施

表貼式高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖8a為實(shí)心永磁體結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為2極，永磁體采用平行充磁的方式。查閱到的相關(guān)文獻(xiàn)中介紹的75 kW、60 000 r/min，150 kW、24 000 r/min，0.5 kW、400 000 r/min和0.1 kW、500 000 r/min的高速永磁電機(jī)均采用了該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖8b為2極環(huán)形永磁體結(jié)構(gòu)，采用了平行充磁方式和永磁體不分塊技術(shù)，該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)即為2極Halbach結(jié)構(gòu)，加工較簡單，多用于轉(zhuǎn)子外徑較小的高速永磁電機(jī)，2.3 kW、150 000 r/min和10 kW、70 000 r/min等高速電機(jī)均采用了該種結(jié)構(gòu)。圖8c為面包式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度更接近正弦波，諧波較小，但所需永磁體較厚，文獻(xiàn)[52，53]分別介紹的1.5 MW、20 000 r/min和120 kW、70 000 r/min的高速永磁電機(jī)均采用該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖8d為永磁體分段轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，極間間隙可由高溫塑料、環(huán)氧樹脂、碳纖維、合金等材料填充，從而降低保護(hù)套在極間間隙處的彎曲應(yīng)力，提高轉(zhuǎn)子可靠性，該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為高速永磁電機(jī)最常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。為了降低轉(zhuǎn)子渦流損耗，Halbach充磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)越來越多的在高速電機(jī)中應(yīng)用，圖8e給出了3種Halbach充磁結(jié)構(gòu)，30 kW、20 000 r/min和640 kW、10 000 r/min的高速永磁電機(jī)均采用了該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖8　表貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
Fig.8　Surface permanent magnet rotor structures

對于表貼式永磁轉(zhuǎn)子，必須對永磁體采取保護(hù)措施：一種保護(hù)方法是在永磁體外面用高強(qiáng)度非導(dǎo)磁護(hù)套(如Inconel718、鈦合金等)，另一種保護(hù)方法是采用碳纖維等高強(qiáng)度纖維捆扎。兩種材料的特性如表8所示。考慮溫度和彎曲應(yīng)力時碳纖維護(hù)套的最大可承受應(yīng)力約為1 400～1 700 MPa，大于合金鋼護(hù)套最大抗拉強(qiáng)度，但合金護(hù)套可承受的最大溫度(290 ℃)遠(yuǎn)高于碳纖維護(hù)套(180 ℃)。合金鋼材料的電導(dǎo)率較高，電機(jī)空間諧波和時間諧波會在合金保護(hù)套中產(chǎn)生較大的渦流損耗。采用碳纖維捆扎時保護(hù)套厚度和高頻渦流損耗較小，但碳纖維是熱的不良導(dǎo)體，不利于永磁轉(zhuǎn)子的散熱。文獻(xiàn)[138]介紹的在合金保護(hù)套內(nèi)層加入銅屏蔽層可有效抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗，但對碳纖維保護(hù)措施抑制效果并不明顯。文獻(xiàn)[82]在合金保護(hù)套上開設(shè)軸向和周向淺槽來降低轉(zhuǎn)子渦流損耗，周向淺槽結(jié)構(gòu)如圖9所示。

表8　不同保護(hù)套材料屬性

Tab.8　Properties of different sleeve materials

圖9　合金護(hù)套周向開槽結(jié)構(gòu)
Fig.9　Circumferential grooves on alloy retaining sleeve

針對高速永磁電機(jī)，文獻(xiàn)[139]提出了一種半導(dǎo)磁的合金保護(hù)套，相對磁導(dǎo)率為7.2，與非導(dǎo)磁合金保護(hù)套相比，采用半導(dǎo)磁保護(hù)套可明顯改善電機(jī)的空載反電動勢波形。文獻(xiàn)[140]介紹了一臺75 kW、60 000 r/min的高速永磁電機(jī)，該文從電磁特性、轉(zhuǎn)子應(yīng)力、轉(zhuǎn)子溫度等方面綜合比較了碳纖維保護(hù)套、非導(dǎo)磁合金護(hù)套以及半導(dǎo)磁合金護(hù)套的性能。采用碳纖維護(hù)套所需保護(hù)套厚度、轉(zhuǎn)子損耗、轉(zhuǎn)子溫度均最小，采用半導(dǎo)磁合金護(hù)套所需永磁體厚度最小，保護(hù)套厚度小于非導(dǎo)磁合金護(hù)套，但轉(zhuǎn)子渦流損耗遠(yuǎn)大于非導(dǎo)磁合金護(hù)套和碳纖維保護(hù)套。

文獻(xiàn)[141]對一臺1 120 kW、18 000 r/min的高速永磁電機(jī)設(shè)計了兩種保護(hù)措施：一種采用純碳纖維保護(hù)措施，一種采用合金鋼和碳纖維共同組成的混合保護(hù)措施，如圖10所示。其中純碳纖維保護(hù)套與永磁體采用過盈配合，混合保護(hù)措施與永磁體采用間隙配合，間隙處填充高強(qiáng)度粘合劑，混合保護(hù)措施可降低純碳纖維保護(hù)套的彎曲應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)表明采用上述保護(hù)措施的兩種轉(zhuǎn)子樣機(jī)均能在22 000 r/min安全運(yùn)行。

圖10　1 120 kW、18 000 r/min高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
Fig.10　Rotors of 1 120 kW、18 000 r/min?
high speed permanent magnet machine

文獻(xiàn)[71，142]中介紹的轉(zhuǎn)速分別為200 000 r/min和60 000 r/min的兩臺高速永磁電機(jī)，在碳纖維保護(hù)套內(nèi)層均纏繞了一層較薄的玻璃絲纖維，目的在于有效抑制在永磁體彎曲處和永磁體分塊對碳纖維護(hù)套造成的彎曲應(yīng)力，提高保護(hù)套可靠性。

4　轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)設(shè)計與軸承設(shè)計

4.1　轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)設(shè)計

轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計的重要內(nèi)容，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心和回轉(zhuǎn)中心總會有一定的偏差，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生周期性的離心干擾力，使得轉(zhuǎn)子的偏心進(jìn)一步增加，轉(zhuǎn)子振動的幅度進(jìn)一步增大，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速接近時，轉(zhuǎn)子將會發(fā)生劇烈的彎曲振動，引起整個機(jī)組振動，嚴(yán)重時甚至使得轉(zhuǎn)子遭到破壞。對于剛性轉(zhuǎn)子，工作轉(zhuǎn)速n應(yīng)低于一階臨界轉(zhuǎn)速nc1，即n<0.7nc1；對于撓性轉(zhuǎn)子，應(yīng)使工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速nc1和二階臨界轉(zhuǎn)速nc 2之間，即1.4nc1

4.2　軸承設(shè)計

高速電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行與軸承可靠性密不可分。目前在高速電機(jī)中應(yīng)用的軸承主要有滾珠軸承、充油軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承。文獻(xiàn)[1，5]對上述軸承的特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析。文獻(xiàn)[135]對目前高速電機(jī)所采用的軸承類型進(jìn)行了統(tǒng)計，如圖11所示?？梢钥闯?，高速電機(jī)多采用磁懸浮軸承和滾球軸承，其中磁懸浮軸承可實(shí)現(xiàn)主動控制，可在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)軸系的動態(tài)性能，完全無接觸，不需要潤滑，使用壽命長，這些優(yōu)點(diǎn)使磁懸浮軸承在高速電機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)對高速電機(jī)軸承也開展了許多研究工作。西安交通大學(xué)、南京航空航天電機(jī)、沈陽工業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等對所研制的高速電機(jī)采用了磁懸浮軸承，浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等對陶瓷球軸承在高速電機(jī)中的應(yīng)用也進(jìn)行了一定的研究，北京航空航天大學(xué)對高速電機(jī)的空氣軸承進(jìn)行了研究，沈陽工業(yè)大學(xué)在兆瓦級高速永磁電機(jī)樣機(jī)中采用了充油軸承和磁懸浮軸承，其中充油軸承在額定運(yùn)行時發(fā)生漏油問題，而磁懸浮軸承能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖11　高速電機(jī)軸承分布
Fig.11　Bearing distributions of high speed machine

5　冷卻系統(tǒng)設(shè)計

高速電機(jī)的功率密度和損耗密度較大，設(shè)計良好的冷卻系統(tǒng)、降低電機(jī)溫升是高速電機(jī)設(shè)計的又一關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[60]對一臺150 kW、16 000 r/min的高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子自散冷技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計與分析；文獻(xiàn)[42，54]分別在10 kW、30 000 r/min和110 kW、70 000 r/min的高速永磁電機(jī)中采用了機(jī)殼水冷的冷卻結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[145]對制冷機(jī)用高速永磁電機(jī)設(shè)計了內(nèi)外風(fēng)冷的冷卻結(jié)構(gòu)，如圖12所示，其中外風(fēng)道開設(shè)在機(jī)殼上，內(nèi)風(fēng)道開設(shè)在定子槽內(nèi)，該種冷卻結(jié)構(gòu)借助制冷機(jī)產(chǎn)生的冷卻介質(zhì)，從機(jī)殼一側(cè)的入口進(jìn)入外風(fēng)道，帶走定子熱量后，進(jìn)入內(nèi)風(fēng)道，從機(jī)殼另一側(cè)的出口流出。

圖12　制冷機(jī)用高速電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)
Fig.12　Cooling structure of high speed machine for?
refrigerator

文獻(xiàn)[59]對一臺30 kW、96 000 r/min的高速永磁電機(jī)設(shè)計了如圖13所示的冷卻結(jié)構(gòu)，該冷卻結(jié)構(gòu)采用空氣冷卻，在定子槽內(nèi)開設(shè)內(nèi)風(fēng)道，在電機(jī)機(jī)殼外側(cè)設(shè)置有外風(fēng)道，冷卻空氣從電機(jī)一端進(jìn)入，從另一端流出。

圖13　30 kW、96 000 r/min高速電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)
Fig.13　Cooling structure of 30 kW、96 000 r/min?
high speed machine

對于環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)，可在環(huán)形繞組的內(nèi)外槽中開設(shè)冷卻通道，如圖14所示，冷卻通道內(nèi)可通入空氣或油，帶走定轉(zhuǎn)子熱量，查閱到的相關(guān)文獻(xiàn)中介紹的75 kW、36 000 r/min，75 kW、60 000 r/min，117 kW、60 000 r/min的高速永磁電機(jī)均采用了該種冷卻結(jié)構(gòu)。

圖14　環(huán)形繞組高速電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)
Fig.14　Cooling structure of high speed machine?
with toroidal windings

高速永磁電機(jī)也可采用徑向和軸向混合冷卻結(jié)構(gòu)，如圖15所示。定子鐵心分為兩段，機(jī)殼上開設(shè)有冷卻通道，冷卻空氣從定子鐵心中間、定子繞組端部以及機(jī)殼外冷卻通道等多路流入，帶走電機(jī)熱量，后從電機(jī)機(jī)殼上開設(shè)的出口處流出，為了更好地降低電機(jī)溫升，機(jī)殼冷卻通道內(nèi)可通入水等冷卻介質(zhì)。

圖15　軸向與徑向混合冷卻結(jié)構(gòu)
Fig.15　Axial and radial mixing cooling structure

大功率高速電機(jī)多采用槽內(nèi)風(fēng)冷與機(jī)殼水冷相結(jié)合的冷卻結(jié)構(gòu)。沈陽工業(yè)大學(xué)對一臺1 120 kW、18 000 r/min的高速永磁電機(jī)，分析了槽內(nèi)風(fēng)冷與機(jī)殼水冷相結(jié)合的3種冷卻結(jié)構(gòu)：混合通風(fēng)與螺旋水路、軸向通風(fēng)與螺旋水路以及軸向通風(fēng)與直槽水路，其中軸向通風(fēng)與螺旋水路結(jié)構(gòu)如圖16所示，混合通風(fēng)是將定子分為兩段，從定子中間進(jìn)風(fēng)，經(jīng)過槽內(nèi)的軸向風(fēng)道，從機(jī)殼兩側(cè)出風(fēng)。混合通風(fēng)的冷卻效果好于單一軸向通風(fēng)，螺旋水路和直槽水路的冷卻效果相近。文獻(xiàn)[50，80]分別為2 030 kW、22 500 r/min和640 kW、10 000 r/min的高速永磁電機(jī)設(shè)計了風(fēng)冷和水冷相結(jié)合的冷卻結(jié)構(gòu)，在定子槽內(nèi)開設(shè)軸向通風(fēng)道，在定子機(jī)殼開設(shè)了中間進(jìn)水和兩端出水的兩條并聯(lián)支路螺旋水路。

圖16　風(fēng)冷和水冷相結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)
Fig.16　Cooling structure combined air with water

6　高速電機(jī)面臨的問題及發(fā)展趨勢

經(jīng)過近年來的發(fā)展，國外對高速電機(jī)的研究已具備了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，產(chǎn)業(yè)化勢頭良好。相比于國外，國內(nèi)對高速電機(jī)的研究基礎(chǔ)還較薄弱，產(chǎn)業(yè)化水平較低，國內(nèi)對高速電機(jī)的研制多集中在中小功率和較低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，與國外尚有較大差距。綜合國內(nèi)外的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，針對兆瓦級以上的大功率高速電機(jī)和超高速高速電機(jī)的研究與應(yīng)用還較少，在高速電機(jī)的設(shè)計與分析方面仍有一些問題亟需解決，主要包括：

1)高速電機(jī)的設(shè)計是一個多物理場和多學(xué)科交叉的綜合設(shè)計過程，基于電磁場、應(yīng)力場、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、流體場與溫度場等多物理場耦合方法來分析高速電機(jī)的技術(shù)尚不成熟。

2)高速軸承仍有很多問題亟需解決：滾球軸承不能承受過高的轉(zhuǎn)速，充油軸承系統(tǒng)龐大且在高速旋轉(zhuǎn)時易發(fā)生漏油問題，空氣軸承承載負(fù)載能力有限，磁懸浮軸承控制復(fù)雜、價格昂貴。

3)大功率高速電機(jī)功率變換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與控制策略、實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)還很薄弱；大功率高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計技術(shù)有待完善；高速電機(jī)的加工工藝復(fù)雜，距離產(chǎn)業(yè)化的要求還很遠(yuǎn)。

4)定轉(zhuǎn)子損耗的理論分析、計算方法以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面有待進(jìn)一步研究；大功率高速永磁電機(jī)多采用風(fēng)冷和水冷相結(jié)合的冷卻方式，冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冷卻效果有限。

5)永磁體抗拉強(qiáng)度低、耐溫能力差制約著高速永磁電機(jī)向超高速和大功率方向發(fā)展，研發(fā)更高抗拉強(qiáng)度和更高耐溫水平的永磁材料對高速電機(jī)的發(fā)展具有重要意義。

6)對于面貼式永磁電機(jī)，合金保護(hù)套存在較大的渦流損耗，碳纖維保護(hù)套的導(dǎo)熱系數(shù)較差，給高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子散熱帶來了較大困難，因此開發(fā)高導(dǎo)熱特性的纖維材料對于高速轉(zhuǎn)子的設(shè)計有重要價值。

7)常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子不能承受較大的離心力，實(shí)心轉(zhuǎn)子存在較大的渦流損耗，需要對新型高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。

綜上所述，高速電機(jī)發(fā)展和研究方向主要有：大功率高速電機(jī)和超高速高速電機(jī)的關(guān)鍵問題研究；基于多物理場和多學(xué)科的耦合設(shè)計；定轉(zhuǎn)子損耗的理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；高強(qiáng)度與高耐溫能力的永磁材料、高導(dǎo)熱系數(shù)的纖維材料等新材料的開發(fā)及應(yīng)用；高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)的研究；不同功率和轉(zhuǎn)速等級下高速軸承的應(yīng)用；良好散熱系統(tǒng)的設(shè)計；高速電機(jī)控制系統(tǒng)的研制；滿足產(chǎn)業(yè)化要求的轉(zhuǎn)子加工及裝配新工藝等。

編輯：黃飛
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