高速電機調(diào)研

2015年高速電機行業(yè)市場發(fā)展分析高速電機通常是指轉(zhuǎn)速超過10000r/min的電機。它們具有以下優(yōu)點：一是由于轉(zhuǎn)速高，所以電機功率密度高，而體積遠(yuǎn)小于功率普通的電機，可以有效的節(jié)約材料。二是可與原動機相連，取消了傳統(tǒng)的減速機構(gòu)，傳動效率高，噪音小。三是由于高速電機轉(zhuǎn)動慣量小，所以動態(tài)響應(yīng)快。隨著我國工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展,資源和環(huán)境開始約束工業(yè)化進(jìn)程,高耗能、高排放的工業(yè)發(fā)展模式已經(jīng)難以為繼,我國的工業(yè)增長方式向資源節(jié)約型和生態(tài)環(huán)保型轉(zhuǎn)變。受國際金融危機影響,我國經(jīng)濟增速放緩,客觀上為我國工業(yè)加速向新型工業(yè)化轉(zhuǎn)型提供了較好的機遇。我國工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)升級、節(jié)能降耗帶來的新型工業(yè)化建設(shè)項目需要大量與之相適應(yīng)的效率高、單位容量大的電機進(jìn)行配套,為電機行業(yè)提供了更廣闊的發(fā)展空間。電機行業(yè)的興起也引爆了資本市場。最近出爐的大洋電機等10家電機企業(yè)的半年報顯示，80%企業(yè)的凈利潤都是正增長的。除了老牌企業(yè)，越來越多的新進(jìn)入者也想分一杯羹，上半年，傳統(tǒng)汽車零部件企業(yè)紛紛以參股或收購的方式進(jìn)入這個領(lǐng)域?？焖俜帕康氖袌鰩恿诵履茉窜嚵悴考纳a(chǎn)，其中，以電機行業(yè)的表現(xiàn)最為搶眼。專家預(yù)測，按新能源汽車的產(chǎn)業(yè)規(guī)模測算，預(yù)計2020年，電機驅(qū)動系統(tǒng)的需求將達(dá)500到1000億元。電機是新能源車最核心的部件之一，相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機。高速永磁電機高速電機的研究目前正在成為國際電工領(lǐng)域的研究熱點之一。由于轉(zhuǎn)速高,電機的功率密度大,其幾何尺寸遠(yuǎn)小于輸出功率相同的中低速電機,可以有效地節(jié)約材料;由于高速電機的轉(zhuǎn)動慣量較小,所以動態(tài)響應(yīng)較快;高速電機可與原動機或負(fù)載直接相連,省去了傳統(tǒng)的機械變速裝置,因而可減小噪音和提高傳動系統(tǒng)的效率。特別是永磁電機由于其結(jié)構(gòu)簡單,力能密度高、無勵磁損耗和效率高等優(yōu)點,最適合用于中、小型高速發(fā)電機。1.高速永磁電機定子損耗和溫升研究[博士]孔曉光沈陽工業(yè)大學(xué)2011.8 研究內(nèi)容：針對高速永磁電機設(shè)計中的關(guān)鍵問題，采用磁場、流體場和溫度場相結(jié)合的分析方法對高速電機的損耗、溫升和散熱問題進(jìn)行了研究，樣機采用7500W，60000r/min的高速電機， 主要應(yīng)用場合：高速電動機在空調(diào)的離心式壓縮機、飛輪儲能、紡織、高速磨床等應(yīng)用場合，且會越來越多。高速發(fā)電機由于其體積小、高功率密度和高可靠性在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。高速永磁電機在高速磨床、真空泵、摩擦焊接機及污水處理中得到了廣泛的應(yīng)用。高速電機主要研究熱點：高速電機非線性數(shù)學(xué)模型的建立。噪聲和振動問題的研究。定轉(zhuǎn)子損耗（銅耗，鐵耗）和冷卻系統(tǒng)研究。2.電機的機械和電磁特性研究[博士]王繼強沈陽工業(yè)大學(xué)2006.10研究內(nèi)容：高速永磁電機的機械與電磁特性及其關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計制造了一臺額定轉(zhuǎn)速為60000r/min，額定功率為7500W的樣機。 高速電機主要應(yīng)用場合：1.空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機、儲能飛輪、紡織、高速磨床等諸多應(yīng)用場合。 2.在混合動力汽車、航空、船舶等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景,隨著混合動力汽車的發(fā)展,高速發(fā)電機將會廣泛應(yīng)用于軍工領(lǐng)域。3.在分布式發(fā)電系統(tǒng)中具有廣闊的發(fā)展前景。由燃?xì)廨啓C驅(qū)動的高速發(fā)電機體積小,具有較高的機動性,可用于醫(yī)院、賓館及其它重要設(shè)施的備用電源,也可作為獨立電源或小型電站,彌補集中式供電的不足,具有重要的實用價值。高速電機關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：美國麻省理工學(xué)院的電磁和電子系統(tǒng)實驗室研究的SMW高速感應(yīng)發(fā)電機。德克薩斯州立大學(xué)機械電子中心用于先進(jìn)機車推進(jìn)系統(tǒng)的3MW高速同步發(fā)電機和高速感應(yīng)飛輪電機。英國TurboGenset公司推出的以1.2MW高速永磁發(fā)電機為核心的新型移動電站。英國燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備有限公司，專門從事開發(fā)研制燃?xì)廨啓C驅(qū)動的高速發(fā)電產(chǎn)品。他們研制出一種盤式結(jié)構(gòu)高速永磁發(fā)電機。轉(zhuǎn)子由一個或多個同軸的圓盤構(gòu)成,圓盤內(nèi)是軸向磁化的永磁體,定子也是由一個或多個圓盤構(gòu)成,盤內(nèi)是定子繞組。轉(zhuǎn)子盤和定子盤交錯排列,具有較高的效率和強度。國內(nèi)對高速電機的研究還處于起步階段,有關(guān)高速電機溫升計算方面的文獻(xiàn)資料很少。轉(zhuǎn)子強度的準(zhǔn)確計算和動力學(xué)分析是高速電機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，但國內(nèi)學(xué)者對高速電機轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析研究較少。高速開關(guān)磁阻電機1.開關(guān)磁阻電機在新能源領(lǐng)域的若干應(yīng)用研究[碩士]王曉明浙江大學(xué)2015.3主要應(yīng)用領(lǐng)域：新能源汽車：目前,在經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū),新能源汽車已經(jīng)得到了較大力度的推廣和扶持。以杭州為例,眾泰、比亞迪等新能源汽車廠商生產(chǎn)的純電動公交車和純電動出租車正在改造整個城市的公共交通系統(tǒng),對新能源汽車不限購的政策扶持也使得私人購買領(lǐng)域逐漸興起。新能源汽車的發(fā)展促使電機制造、充電設(shè)施、動力電池等電氣上下游領(lǐng)域也迎來一波難得的發(fā)展機遇。光伏水泵：為了解決供電、供水困難的問題,一般利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源,使用太陽能電池板對水錄的驅(qū)動馬達(dá)進(jìn)行供電。這類系統(tǒng)通常包括光伏陣列、水源、儲水容器以及馬達(dá)系,一般稱之為光伏水系。光伏水泵通過太陽能直接驅(qū)動,具有較高的經(jīng)濟性,目前已經(jīng)在亞非拉和中東等發(fā)展中國家和貧困地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用h由于光伏水泵涉及到了能量變換、電機控制、電力電子、機械設(shè)計等跨學(xué)科、多維度的技術(shù),集光、電、機于一體,因而也被許多國家列為技術(shù)優(yōu)先發(fā)展對象,是新能源領(lǐng)域一個重要的研究方向?，F(xiàn)階段研究現(xiàn)狀：1.新能源汽車研究現(xiàn)狀：加強新能源汽車關(guān)鍵核心技術(shù)研究,需要在驅(qū)動電機系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)方面推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵部件,目前電動汽車的驅(qū)動電機主要包括直流電機、感應(yīng)電機、永磁無刷電機和開關(guān)磁阻電機等四類電機。開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子無繞組,具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、恒功率范圍大以及控制靈活、響應(yīng)速度快的優(yōu)點,并且適用于高速場合。2.光伏水泵研究現(xiàn)狀：對于光伏水泵驅(qū)動電機的選擇,當(dāng)功率大于10KW時較多選用三相交流異步電機,而直流無刷電機以其效率高、經(jīng)濟性好也在光伏水泵中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。交流異步電機釆用SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù),可以把變頻控制與最大功率點追蹤集成在控制器中,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊而穩(wěn)定,直流電壓利用率高,并且有較好的直流母線電壓補償功能；直流無刷電機釆用無位置傳感器換相方式,負(fù)載阻力矩隨轉(zhuǎn)速的降低而減小,電機的運行效率可以得到較大程度的提高,因而適合在光伏水泵驅(qū)動系統(tǒng)中使用。實驗平臺：12/8開關(guān)磁阻電機，額定功率750W，母線電壓60V，額定轉(zhuǎn)速1500r/min。2.電動工具用高速開關(guān)磁阻電機設(shè)計與實現(xiàn)[碩士]朱宏基湖南工業(yè)大學(xué)2014.6研究開發(fā)功率密度較大，效率較高，調(diào)速范圍較寬的驅(qū)動系統(tǒng)是電動工具實現(xiàn)安全可靠運行的關(guān)鍵。目前有多種機型有作為驅(qū)動電機，如直流串激電機、交流串激電機、永磁無刷直流電機、交流變頻異步電機等電機類型，目前開關(guān)磁阻電機在這方面的應(yīng)用還不是太多。開關(guān)磁阻電機作為驅(qū)動源的優(yōu)勢：開關(guān)磁阻電機沒有電刷和換相器，可實現(xiàn)高速可靠運行。同時在功率不變的情況下，高轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)電機的輕量化，有利于節(jié)約成本。開關(guān)磁阻電機具有比其他類型驅(qū)動系統(tǒng)更寬的效率范圍，可以提高電動工具的使用時限。開關(guān)磁阻電機很容易實現(xiàn)電動工具的正向電動、正向制動、反向電動、反向制動的四象限運行，而且高速運轉(zhuǎn)時制動能力較強。開關(guān)磁阻電機調(diào)節(jié)方便，通過改變開通角和關(guān)斷角，即可實現(xiàn)恒速運行、軟性起動以及過載等保護(hù)功能。而且也可容易實現(xiàn)它勵直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的相同的性能。此外SR電機控制為純邏輯方式，智能化方便，能夠達(dá)到電動工具各種運行工況要求。開關(guān)磁阻電機自身結(jié)構(gòu)和控制電路簡單可靠，成本低廉，適應(yīng)環(huán)境能力強，使用中較少需要維護(hù)。開關(guān)磁阻電機在高速場合下優(yōu)勢：轉(zhuǎn)子無永磁體或繞組，為簡單堅固的實心疊片結(jié)構(gòu)，可以承受很高的機械離心力。電機繞組各相間耦合弱，系統(tǒng)容錯能力強、可靠性高。高速場合性能優(yōu)異，惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強。控制靈活，方便實現(xiàn)四象限運行，調(diào)速范圍寬。功率密度大，體積遠(yuǎn)小于同功率中低速電機。高速SRM電機關(guān)鍵技術(shù)研究熱點：建立一套工程應(yīng)用強的高速SR電機本體的多參數(shù)綜合設(shè)計體系，完善高速SR電機設(shè)計理論。研究新型高速SR電機功率變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高換相性能。研究建立實用且準(zhǔn)確的鐵損耗計算模型。研究新型智能控制方法，將其應(yīng)用在高速SR電機控制系統(tǒng)中。研究無位置傳感器技術(shù)，以減小高速系統(tǒng)復(fù)雜程度，增加可靠性。振動噪聲研究，對高速SR電機進(jìn)行轉(zhuǎn)子強度和動力學(xué)分析是高速SRD系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。高速SR電機磁懸浮技術(shù)研究。國內(nèi)外高速電機工程實踐情況：GE公司研制的6/4結(jié)構(gòu)30kW航空SRM起動/發(fā)電機，最高轉(zhuǎn)速達(dá)22000r/min，功率密度高達(dá)3.89kW/kg。法國研制出的一臺1kW，采用陶瓷復(fù)合軸承的超高速運行的SR電動機，其設(shè)計最高轉(zhuǎn)速可達(dá)200000r/min。美國Calnetix公司開發(fā)的艦用2MW高速永磁發(fā)電機，轉(zhuǎn)速范圍為19000-25000r/min,目前已研制出500000r/min的永磁發(fā)電機。南京航空航天大學(xué)研發(fā)了一臺6KW，270V高壓直流航空SRM起動/發(fā)電原理樣機。SR電機冷卻方式采用風(fēng)冷，0-6000r/min為起動狀態(tài),7000-12000r/min為發(fā)電狀態(tài)。國內(nèi)高校多數(shù)在進(jìn)行電機損耗的研究，要減小高速電機的損耗主要有兩種途徑：一是從控制方式上進(jìn)行合理優(yōu)化，改善電機在不同負(fù)載下運行性能；另一方面通過優(yōu)化電機本體結(jié)構(gòu)，提高電機本體設(shè)計效率。飛輪儲能電機1.飛輪儲能用高速永磁同步電機設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究[碩士]鮑海靜哈工大2014.6飛輪儲能應(yīng)用現(xiàn)狀：美國宇航局研究中心已經(jīng)成功研制了三代用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的飛輪儲能系統(tǒng)并得到應(yīng)用。其研制的飛輪儲能系統(tǒng)的儲能從最初的330Wh提高到了2135Wh，飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)到60,000r/min。美國BeaconPowerCorporation致力于將飛輪儲能用于電力系統(tǒng)中，目前研制的由200個單機容量25kWh，功率100kW，轉(zhuǎn)速16,000r/min的飛輪子系統(tǒng)組成的5MWh飛輪儲能矩陣已在紐約電網(wǎng)投入運營。德國ATZ公司聯(lián)合MagnetMotor公司致力于研究飛輪儲能在不間斷電源中的應(yīng)用，于2006年研制了儲能容量為5kWh，功率為250kW的高溫超導(dǎo)磁軸承支撐的飛輪系統(tǒng)。飛輪電池在混合電動汽車中的應(yīng)用：研究部門應(yīng)用領(lǐng)域容量（kWh）最大功率/連續(xù)功率（kW）功率密度（W/kg）能量密度（Wh/kg）最高轉(zhuǎn)速（rpm）CCM重型車4300/20080010.622,000FlybridSystemsLLP輕型車0.11110/6084608.5460,000HyKinesysInc.輕型車0.3100/502000620,000L-3MM重型車2300/100750512,000POWERTHRU重型車0.667190/506932.4352,500飛輪儲能用高速永磁電機研究現(xiàn)狀：目前飛輪儲能用高速電機主要有感應(yīng)電機、磁阻電機、永磁電機。感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機各有缺陷，永磁電機以其高功率密度、高效率的優(yōu)點，可以運行在較高的轉(zhuǎn)速，因此得到了廣泛應(yīng)用。美國LawrenceLivermore國家實驗室對比了外轉(zhuǎn)子傳統(tǒng)充磁方式與Halbach結(jié)構(gòu)電機在飛輪系統(tǒng)中的各項性能，指出Halbach結(jié)構(gòu)電機的空載損耗是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/10。Halbach結(jié)構(gòu)因其特別的充磁方式，產(chǎn)生一個單邊磁場，即使在定子或轉(zhuǎn)子無鐵心的情況下，也可以得到較高的氣隙磁密，這種結(jié)構(gòu)消除了高速電機的空載鐵耗和不平衡磁拉力，而且保證了電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，在飛輪儲能系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)越性。英國謝菲爾德大學(xué)的D.Howe等人將Halbach結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子無鐵心高速永磁電機用于飛輪系統(tǒng)中，該系統(tǒng)用于電動汽車的峰值功率緩沖。韓國忠南大學(xué)的Seok-MyeongJang等人對飛輪儲能用的高速PMSM做了大量的研究，在2006年研究了一臺高速永磁同步電機如下圖1所示，二極轉(zhuǎn)子由多塊永磁體拼接而成，采用整體充磁方式，定子采用的是無槽的環(huán)形繞組形式。這種繞組形式有效地將電機繞組軸向端部轉(zhuǎn)移到定子鐵心軛部，使電機軸向長度縮短，解決了整數(shù)槽電機端部過長的問題。沈陽工業(yè)大學(xué)的王鳳翔教授提出了一種有利于提高冷卻效率和增加轉(zhuǎn)子剛度的定子環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)，冷卻氣流直接通過內(nèi)外通風(fēng)道，冷卻定子繞組，提高了冷卻效率。現(xiàn)已成功研制了磁懸浮軸承支撐如圖2所示的75kW，60000rpm高速永磁電機。圖1圖2高速永磁電機的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀：轉(zhuǎn)子機械強度及動力學(xué)研究：轉(zhuǎn)子的機械強度計算及動力學(xué)研究是高速轉(zhuǎn)子設(shè)計的主要研究方向，國內(nèi)外已有學(xué)者對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度和動力學(xué)做了大量的研究。BinderA在對一臺功率為40kW，最高轉(zhuǎn)速為48000rpm電機的研究中，對比了兩種不同極弧系數(shù)的表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機械強度，得出極弧系數(shù)為1的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比極弧系數(shù)為0.87的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有更好的機械強度，作者的實驗結(jié)果表明永磁體極弧系數(shù)小于1時，在相鄰永磁體區(qū)間，保護(hù)套不僅存在拉應(yīng)力還存在彎曲應(yīng)力，承受的應(yīng)力較大，為了使電機在高速運行時不遭受損壞，作者提出在永磁體極間填充一種非磁性材料。高速永磁電機的損耗：定子鐵心損耗在電機總損耗中占絕大多數(shù)。目前計算鐵心損耗的方法主要有：1）經(jīng)典損耗分離模型；2）橢圓旋轉(zhuǎn)模型；3）正交分解模型。為了減小定子損耗，黃允凱在發(fā)表的《高速永磁電動機設(shè)計的關(guān)鍵問題》期刊中提出讓電機繞組一般采用多股導(dǎo)線并繞方式，也有國外學(xué)者利用有限元法計算了多股并繞導(dǎo)線在高速感應(yīng)電機中的銅耗，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，交流銅耗是繞線直徑、并繞根數(shù)和頻率的函數(shù)，且靠近槽開口的導(dǎo)線損耗最大，并針對鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的渦流附加損耗問題，得出利用Litz線纏繞能夠有效的減小繞組渦流損耗。湯平華在發(fā)表的期刊《定子無鐵心飛輪電機繞組渦流損耗分析》中針對無鐵心的飛輪電機繞組渦流損耗進(jìn)行分析，繞組采用Litz線纏繞，由環(huán)氧樹脂澆注固定，建立了圓形導(dǎo)線在正弦交變磁場中的渦流損耗計算模型，并通過停機實驗進(jìn)行了驗證。通過分析轉(zhuǎn)子渦流損耗的計算模型，可以很快知道各影響因素所占的比例，因此研究的重心落在了削弱轉(zhuǎn)子渦流損耗上，主要分為3種方法：永磁體分塊技術(shù)，利用導(dǎo)電屏蔽層屏蔽高頻諧波磁場以及改變定子結(jié)構(gòu)。電機的溫升計算和散熱技術(shù)：在電機的設(shè)計過程中，永磁體的性能、繞組的電阻以及繞組間的絕緣等都與溫度密切相關(guān)，電機的溫升計算是高速電機設(shè)計的重點。等效熱路法是快速計算電機溫升的一種有效方法，有學(xué)者利用等效熱路法專用軟件MOTOR-CAD建立了表貼式永磁電機的熱網(wǎng)絡(luò)圖，不僅考慮了端部繞組損耗、電機端蓋散熱，還包括自然對流、輻射和傳導(dǎo)等散熱方式，給出了一個精確度較高的模型。提高電機的冷卻散熱能力是控制電機溫升的主要方法之一。對于高功率的密度的電機多采用的強迫冷卻方式，目前針對高速電機轉(zhuǎn)子散熱的研究很少，大多數(shù)都集中在降低轉(zhuǎn)子渦流損耗和風(fēng)摩損耗，通過控制熱源，來改善轉(zhuǎn)子散熱條件。。高速無刷直流電機1.高速無刷直流電機的無位置傳感器控制系統(tǒng)研究[碩士]駱傳旺東大2014.1高速直流無刷電機由于速度高、體積小、功率密度大、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，在渦輪增壓器、航空航天測試平臺及高速加工領(lǐng)域（如高速磨床、高速銑床）、醫(yī)療設(shè)備等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為高速電機設(shè)計的首選。國內(nèi)高速直流無刷電機的研究還處于起步階段，高速電機驅(qū)動器的市場一直被國外公司壟斷，這篇文章主要針對高速磨床的主軸電機的驅(qū)動器進(jìn)行研究。高速無刷直流電機無位置傳感器控制已經(jīng)成為