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高速异步电机设计的部分关键技术研究

时间:2017-11-14 11:36:00   来源:本网   添加人:admin

  高速异步电机设计的部分关键技术研究徐礼锋陈远龙(合肥工业大学,安徽合肥题。这些关键技术不同于普通异步电机的设计技术,对于高速异步电机的正常运行和控制有重要的指导意义。

  子的长度(m)。是表示转子表面的切向应力。

  如果速度用N(krpra)表示,则有下述关系式:高速电机在机械工业(如高速磨床、铣床)、国防工业(如飞机环境控制系统和电子设备高效冷却系统、电动推进系统)等各方面获得了广泛的应用,它对于减少装置体积重量,提高设备性能有重要的意义。高速电机要求转子上无绕组、无电刷和滑环,鼠笼式异步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等均适合于高速运转。在高速电机应用中,异步电机由于它成本低、结构简单和控制技术成熟,是高速电机选择的主要类型WPM.高频驱动电源、高强度低损耗电磁材料及计算机技术的发展使电机能高速甚至超高速运行。

  从高速异步电机的设计角度,本文首先讨论了高速异步电机的功率和速度限制问题,给出f高速与超高速异步电机的分类准则;其次是轴承设计问题,特别是无磨擦轴承的技术;第三是转子结构强度、结构稳定性设计;第四是高速异步电机的散热设计问题,高速异步电机设计必须以电机损耗最小和效率最优为原则。

  高速异步电机的功率和速度限制通常人们把高速电机理解为其转子旋转的圆周速度在比较高的范围内变化的电机,但是从电机设计的角度以及现有电机的规格状况来看,速度并不是高速电机的唯一性能特征。在动力应用中,电机的额定速度与电机的额定输出功率有很大的关系,因此不能仅用电机的额定速度来决定是不是高速电机电机的功率和速度之间的关系式为:式(1)中n表示转子转速(rpS),D是转子的直径(m),L为转(2)式等式右边是a,/,A%U的函数,可改写为:如果函数A是常数,那么P作为纵坐标,lg(N)作为横坐标,P-N曲线是一条直线。这条直线代表了异步电机功率和速度的限制。换句话说,这条直线被作为定义超高速电机的分界线。如果某个电机的P-N点在这条直线的左边,那么电机就叫做高速电机或普通电机;如果某个电机的P-N点在这条直线的右边,那么电机就叫做超高速电机。根据大量式表达了上述直线上所对应的电机中转子表面切向应力、电机尺寸比、转子表面线速度之间的约束关系。在高速电机设计时,的确是很关键的。

  高速异步电机的轴承设计轴承是高速电机的核心部件。高速异步电机好的轴承选择能够提高系统寿命、减小摩擦温升、改善动态特性、缩短维护时间以及降低维护成本。轴承设计时要考虑:最大转速、轴向和径向的刚度、机械负载的方向和大小、轴的尺以及使用的轴承数目。

  一般来说,轴承都标有最大转速值,但是NDm值是选择轴承的丰要参数。NDm定义为:最大转速(rpm)与轴承内外径平均值(mm)的乘积。那么,轴承的选择并不依赖于最大转速,而是由所要求的转矩决定的。由于轴承的尺寸不同,gp使是转速相同,内部圆周速度也不相同,所以不能用单纯转速的高低来表示电机的转速水平,而要用NDm值来表示。一般把NDm>1000000作为高速范围,此值还直接反映高速电机的刚度特性。

  在高速电机的应用中,角接触球轴承用得比较广泛,因为在高速异步电机有实际机械负载的条件下,这种轴承显示了很好的速度和刚度的折中。一般情况下,超高速的电机的轴承要用弹性材料进行预负载。

  (2)无摩擦轴承技术高速电机机械轴承磨损快的特点大幅度缩短电机的使用寿命,而且制约着电机向更高转速和大功率的方向发展。

  为克服机械轴承的性能不足,近二十年来发展起来了气浮轴承、磁轴承,特别是磁轴承具有无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声和结构简单的特点,在高速运转领域获得较为广泛的运用。采用磁轴承的高速电机在其两端分别配置一个磁轴承单元,每个磁轴承单元含有环绕着转轴的电磁体,利用带反馈的径向位置控制器来控制电磁体的励磁电流即电磁体的径向磁力,使转轴保持悬浮运转,因此磁轴承电机的使用寿命显著增长,但在实际运用中,磁轴承电机存在着如下问题:输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率,电机的轴向长度和径向长度必然要随之加大。由于电机两端磁轴承本身占有一定的轴向长度,为了在高速时能避开转轴的临界转速(以免引起转轴的共振),只能尽量控制电机本身的轴向长度;而电机转轴径向尺寸(半径)则受电磁体材料机械强度的限制。(2)磁轴承需要一定数量的励磁线圈、变换器和造价不菲的传感器,由于成本与体积的原因,影响磁轴承高速电机的使用范围。近年来兴起的无轴承交流电机是高速电机领域的一项重大突破,一方面它在保持磁轴承电机长寿命的优点外,还突破更高转速和大功率的限制,拓宽了高速电机的应用范围。

  高速异步电机的实心转子技术在高速异步电机的设计中,转子的结构强度是一个很重要的问题。研究表明,传统的异步电机叠层转子的圆周线速度最高可达200m/s,但是超过这一速度,叠层结构的转子机械强度就不够了。采用实心转子的异步电机由于结构简单,转子的机械可靠性高,适宜于高速甚至超高速运行。实心转子异步电机的定子结构与普通电机相同。转子为实心铁磁圆柱或圆筒,它既是磁路的铁心部分,又兼作电路的绕组,二者合二为一,这是实心转子异步电机区别于普通异步电机的关键。在实际运行时,由于集肤效应,转子电流(涡流)和磁通主要集中在转子表面较薄的渗透层内,其电流及磁场的分布情况与普通异步电机中的情况迥然不同,因而形成了实心转子异步电机的特有性能。

  研究表明,高速光滑有限长实心转子异步电机效率较一般鼠笼异步电机要小很多,其主要原因是电机中的气隙谐波引起的。而气隙谐波的产生是由于定子绕组在槽中位置的不连续性(绕组谐波)以及不光滑的定子表面的导磁率的变化(导磁谐波)。减小高速实心转子异步电机的损耗的方法总结出来有:减小磁导谐波:1)尽可能减小定子槽开口的尺寸,利用有限元方法研究新的定子齿形。另外增加气隙长度也可以减小转子表面的磁通波动。2)采用半磁性材料去封闭定子的槽开口,半磁性材料显著地减小了槽开口下方磁密分布的变化从而迅速减小转子表面的损耗。

  用分层理论方法对4.8万转/分的实心转子电机的分析计算表明,含铜量在25%40%的铜铁合金作高速实心转子电机具有较高的电气性能。

  可以在实心转子表面覆盖一层合适的材料来减小转子表面的损耗,这种做法增加了转子的表面阻抗。覆盖在转子表面层的材料一般要求高导磁性和低导电性。导电性低增加了渗透深度,但是采用低导电性的材料层覆盖转子会产生与增加气隙长度一样的效果――使得气隙磁密分布更加均匀。一般可在转子外面覆盖一层铝铁合金或纯铜。要减小转子的基本阻抗,可以在外层材料和转子本体之间加一层有很好导电性的材料,这样做可以得到更大的转矩。

  为了改善实心转子异步高速电机的电气性能,可以在转子表面轴向或周向开槽。在一些应用中,在实心转子中加入导条(类似于叠层结构转子)以提高电机性能,但是其等值电路要修正,实心转子的参数作为等值电路中新加入的并联支路。

  在高速电机应用系统中,主要的热源是高速电机本身和轴承。高速电机的发热和散热状况,不仅影响电机的效率,也影响电机绝缘材料的性能,从而影响电机的使用寿命。研究表明轴承高NDm值引起的轴承损耗占了高速电机的总损耗的相当大的比例,约30%-40%.转子与空气间的摩檫损耗是高速电机要特殊考虑的热源。高速电机设计人员应该了解电机结构、转速、散热方式是如何影响电机气隙摩檫损耗和热交换的。转子的散热主要依靠气隙中的气流,气隙中的摩檫损耗使转子的温度升高,气隙中的轴向冷却气流可以降低气隙温度。除了摩檫损耗,转子的温升还依赖于转子表面的热交换系数,这一参数决定于转子圆周线速度和冷却气流的轴向速度。许多学者和研究人员提出了相应的计算摩檫损耗的公式,但这些公式只能用在气隙表面光滑的条件下。除了转子速度外,气隙中的摩檫转矩还受高速电机轴向冷却气流速度的影响。另外,目前还没有用来评估定子转子轴向开槽对摩檫转矩的影响。电机在低速运转时,气隙流是层流状的,并且气隙中的热交换是通过导体进行的,其热交换率与转速无关。电机超过一定的转速,在其气隙中就会产生环形涡流(泰勒涡流),它影响气隙中摩檫的产生和热交换。此时,热交换率随着转速的提高而增大,电机产生的热量是从定子和转子向气隙传递的,热交换率发生了变化,与热量沿转子到气隙再到定子路径传递时不一样了。研究表明,表面粗糙的转子与光滑的转子相比,最高可增加热交换率70%.为了减小温升和高速电机的体积,将电机运行时产生的热量有效散发出去,封闭的液体散热系统必须被采用。设计时,定子表面都用外隔循环水冷却。这种散热系统采用常温的乳化水作为致冷剂,水就在定子的水槽中流动。高速电机的散热设计既要考虑有利于电机尺寸的减小和控制轴承的温升,又要考虑不影响轴的性能。转子的散热是比较困难的事情,因为转子和轴承内部不能用水冷系统直接进行散热。

  转子、轴和轴承可以用润滑系统的油雾进行局部散热。对高速电机进行散热设计时应注意以下问题:水冷系统不能带走转子随输出功率升高而增加的损耗热量。

  不能被水冷系统带走的损耗热量,可通过润滑油雾和转轴空气的热交换带走。

  在电磁设计阶段,要考虑水冷系统对转子损耗散热作用不大这种情况。

  在总损耗不变时,设计中应尽量增加定子产生的损耗,而减少转子损耗。

  设计良好的散热系统必须使电磁(下转第91页)riddle“译成”斯芬克司之谜“audasKiss”译成“犹大之吻”,“towerofivory”译成“象牙之塔”。这样不仅读者接受了新的文化元素,也丰富了译入语语言。如果依照读者“反应”

  的标准来看,这就是失败的译文了,因为中国不可能对于斯芬克司、犹大、象牙塔之类的人和事和西方人有同等反应。而应该翻译成“猫哭老鼠”、“难解之迷”、“背叛行为”“世外桃源”。这样的译文确实让中国读者读来亲切、顺畅、容易理解,但同时也不会感受到异域文化特色了,让翻译没有起到文化传播的作用。任何一个国家和民族,文化要发展,离不开与其他文化的彼此交流。只有交流才能保持其发展的生机与活力。正如季羡林先生所说“倘若拿河流来作比,中华文化这一条长河,有水满的时候,也有水少的时候,但从未枯竭。原因就是有新水注入。”2当然,在文学翻译中对文化因素的处理受到各种因素的制约。其中重要一点,恐怕也是根本原因即译者对目的语态度的问题,也就是强势语言文化和弱势语言文化的问题。面对由强势语言写成的原文,译者往往有自卑心理,希望越多地效仿、吸收其语言精华,反映在译法上自然亦步亦趋,生怕违背了原义。正相反,面对弱势语言的文化,译者心理比较轻松,没有那么多顾虑,所以免不了把原文改红为绿。

  例如:世人都晓神仙好(红楼梦,第一回,好了歌)面对翻译研究的文化学转向,翻译更加重视文化因素的传递和理解。而要做到这一目标仅靠“动态对等”理论的标准是难以达到的。

  然而在广告翻译中,读者“反应”这一点却被充分利用了。广告翻译一定要适合大众审美心理,顾客才会愿意去消费,太“异化”的译语会让人产生抗拒心理。英国轿车RollsRoyce译成“劳斯莱斯”,表面文字根本不能说明什么意义。

  其实成功的译语很多,如“奔驰”之“Bentz”“可口可乐”之“cocacola”‘霓虹灯“之”neonlight“等等。但是对于法律、科技翻译等,原文严谨、规范、紧凑、连贯性强,而且要求不能标新(上接第75页)结构和机械轴承的温升限度同时到达。

  如果在电磁系统未达到额定温升的时候轴承已达到额定温升的话,那么在电磁系统达到额定温升时轴承可能超过了额定温升,电机就不能正常工作了。

  高速电机是近几十年来电力电子技术、材料科学、计算机技术发展的产物。高速异步电机得到了广泛的应用。本文对高速异步电机设计的关键技术进行了阐述。掌握和理解这些关键技术有利于我国高速电机的设计立足先进水平,进一步提高设计质量。