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高速異步電機設計的部分關鍵技術研究

時間:2017-11-14 11:36:00   來源:本網   添加人:admin

  高速異步電機設計的部分關鍵技術研究徐禮鋒陳遠龍(合肥工業大學,安徽合肥題。這些關鍵技術不同于普通異步電機的設計技術,對于高速異步電機的正常運行和控制有重要的指導意義。

  子的長度(m)。是表示轉子表面的切向應力。

  如果速度用N(krpra)表示,則有下述關系式:高速電機在機械工業(如高速磨床、銑床)、國防工業(如飛機環境控制系統和電子設備高效冷卻系統、電動推進系統)等各方面獲得了廣泛的應用,它對于減少裝置體積重量,提高設備性能有重要的意義。高速電機要求轉子上無繞組、無電刷和滑環,鼠籠式異步電機、無刷直流電機、開關磁阻電機等均適合于高速運轉。在高速電機應用中,異步電機由于它成本低、結構簡單和控制技術成熟,是高速電機選擇的主要類型WPM.高頻驅動電源、高強度低損耗電磁材料及計算機技術的發展使電機能高速甚至超高速運行。

  從高速異步電機的設計角度,本文首先討論了高速異步電機的功率和速度限制問題,給出f高速與超高速異步電機的分類準則;其次是軸承設計問題,特別是無磨擦軸承的技術;第三是轉子結構強度、結構穩定性設計;第四是高速異步電機的散熱設計問題,高速異步電機設計必須以電機損耗最小和效率最優為原則。

  高速異步電機的功率和速度限制通常人們把高速電機理解為其轉子旋轉的圓周速度在比較高的范圍內變化的電機,但是從電機設計的角度以及現有電機的規格狀況來看,速度并不是高速電機的唯一性能特征。在動力應用中,電機的額定速度與電機的額定輸出功率有很大的關系,因此不能僅用電機的額定速度來決定是不是高速電機電機的功率和速度之間的關系式為:式(1)中n表示轉子轉速(rpS),D是轉子的直徑(m),L為轉(2)式等式右邊是a,/,A%U的函數,可改寫為:如果函數A是常數,那么P作為縱坐標,lg(N)作為橫坐標,P-N曲線是一條直線。這條直線代表了異步電機功率和速度的限制。換句話說,這條直線被作為定義超高速電機的分界線。如果某個電機的P-N點在這條直線的左邊,那么電機就叫做高速電機或普通電機;如果某個電機的P-N點在這條直線的右邊,那么電機就叫做超高速電機。根據大量式表達了上述直線上所對應的電機中轉子表面切向應力、電機尺寸比、轉子表面線速度之間的約束關系。在高速電機設計時,的確是很關鍵的。

  高速異步電機的軸承設計軸承是高速電機的核心部件。高速異步電機好的軸承選擇能夠提高系統壽命、減小摩擦溫升、改善動態特性、縮短維護時間以及降低維護成本。軸承設計時要考慮:最大轉速、軸向和徑向的剛度、機械負載的方向和大小、軸的尺以及使用的軸承數目。

  一般來說,軸承都標有最大轉速值,但是NDm值是選擇軸承的豐要參數。NDm定義為:最大轉速(rpm)與軸承內外徑平均值(mm)的乘積。那么,軸承的選擇并不依賴于最大轉速,而是由所要求的轉矩決定的。由于軸承的尺寸不同,gp使是轉速相同,內部圓周速度也不相同,所以不能用單純轉速的高低來表示電機的轉速水平,而要用NDm值來表示。一般把NDm>1000000作為高速范圍,此值還直接反映高速電機的剛度特性。

  在高速電機的應用中,角接觸球軸承用得比較廣泛,因為在高速異步電機有實際機械負載的條件下,這種軸承顯示了很好的速度和剛度的折中。一般情況下,超高速的電機的軸承要用彈性材料進行預負載。

  (2)無摩擦軸承技術高速電機機械軸承磨損快的特點大幅度縮短電機的使用壽命,而且制約著電機向更高轉速和大功率的方向發展。

  為克服機械軸承的性能不足,近二十年來發展起來了氣浮軸承、磁軸承,特別是磁軸承具有無接觸、無潤滑、無磨損、無機械噪聲和結構簡單的特點,在高速運轉領域獲得較為廣泛的運用。采用磁軸承的高速電機在其兩端分別配置一個磁軸承單元,每個磁軸承單元含有環繞著轉軸的電磁體,利用帶反饋的徑向位置控制器來控制電磁體的勵磁電流即電磁體的徑向磁力,使轉軸保持懸浮運轉,因此磁軸承電機的使用壽命顯著增長,但在實際運用中,磁軸承電機存在著如下問題:輸出功率難以進一步提高。為了提高電機的輸出功率,電機的軸向長度和徑向長度必然要隨之加大。由于電機兩端磁軸承本身占有一定的軸向長度,為了在高速時能避開轉軸的臨界轉速(以免引起轉軸的共振),只能盡量控制電機本身的軸向長度;而電機轉軸徑向尺寸(半徑)則受電磁體材料機械強度的限制。(2)磁軸承需要一定數量的勵磁線圈、變換器和造價不菲的傳感器,由于成本與體積的原因,影響磁軸承高速電機的使用范圍。近年來興起的無軸承交流電機是高速電機領域的一項重大突破,一方面它在保持磁軸承電機長壽命的優點外,還突破更高轉速和大功率的限制,拓寬了高速電機的應用范圍。

  高速異步電機的實心轉子技術在高速異步電機的設計中,轉子的結構強度是一個很重要的問題。研究表明,傳統的異步電機疊層轉子的圓周線速度最高可達200m/s,但是超過這一速度,疊層結構的轉子機械強度就不夠了。采用實心轉子的異步電機由于結構簡單,轉子的機械可靠性高,適宜于高速甚至超高速運行。實心轉子異步電機的定子結構與普通電機相同。轉子為實心鐵磁圓柱或圓筒,它既是磁路的鐵心部分,又兼作電路的繞組,二者合二為一,這是實心轉子異步電機區別于普通異步電機的關鍵。在實際運行時,由于集膚效應,轉子電流(渦流)和磁通主要集中在轉子表面較薄的滲透層內,其電流及磁場的分布情況與普通異步電機中的情況迥然不同,因而形成了實心轉子異步電機的特有性能。

  研究表明,高速光滑有限長實心轉子異步電機效率較一般鼠籠異步電機要小很多,其主要原因是電機中的氣隙諧波引起的。而氣隙諧波的產生是由于定子繞組在槽中位置的不連續性(繞組諧波)以及不光滑的定子表面的導磁率的變化(導磁諧波)。減小高速實心轉子異步電機的損耗的方法總結出來有:減小磁導諧波:1)盡可能減小定子槽開口的尺寸,利用有限元方法研究新的定子齒形。另外增加氣隙長度也可以減小轉子表面的磁通波動。2)采用半磁性材料去封閉定子的槽開口,半磁性材料顯著地減小了槽開口下方磁密分布的變化從而迅速減小轉子表面的損耗。

  用分層理論方法對4.8萬轉/分的實心轉子電機的分析計算表明,含銅量在25%40%的銅鐵合金作高速實心轉子電機具有較高的電氣性能。

  可以在實心轉子表面覆蓋一層合適的材料來減小轉子表面的損耗,這種做法增加了轉子的表面阻抗。覆蓋在轉子表面層的材料一般要求高導磁性和低導電性。導電性低增加了滲透深度,但是采用低導電性的材料層覆蓋轉子會產生與增加氣隙長度一樣的效果――使得氣隙磁密分布更加均勻。一般可在轉子外面覆蓋一層鋁鐵合金或純銅。要減小轉子的基本阻抗,可以在外層材料和轉子本體之間加一層有很好導電性的材料,這樣做可以得到更大的轉矩。

  為了改善實心轉子異步高速電機的電氣性能,可以在轉子表面軸向或周向開槽。在一些應用中,在實心轉子中加入導條(類似于疊層結構轉子)以提高電機性能,但是其等值電路要修正,實心轉子的參數作為等值電路中新加入的并聯支路。

  在高速電機應用系統中,主要的熱源是高速電機本身和軸承。高速電機的發熱和散熱狀況,不僅影響電機的效率,也影響電機絕緣材料的性能,從而影響電機的使用壽命。研究表明軸承高NDm值引起的軸承損耗占了高速電機的總損耗的相當大的比例,約30%-40%.轉子與空氣間的摩檫損耗是高速電機要特殊考慮的熱源。高速電機設計人員應該了解電機結構、轉速、散熱方式是如何影響電機氣隙摩檫損耗和熱交換的。轉子的散熱主要依靠氣隙中的氣流,氣隙中的摩檫損耗使轉子的溫度升高,氣隙中的軸向冷卻氣流可以降低氣隙溫度。除了摩檫損耗,轉子的溫升還依賴于轉子表面的熱交換系數,這一參數決定于轉子圓周線速度和冷卻氣流的軸向速度。許多學者和研究人員提出了相應的計算摩檫損耗的公式,但這些公式只能用在氣隙表面光滑的條件下。除了轉子速度外,氣隙中的摩檫轉矩還受高速電機軸向冷卻氣流速度的影響。另外,目前還沒有用來評估定子轉子軸向開槽對摩檫轉矩的影響。電機在低速運轉時,氣隙流是層流狀的,并且氣隙中的熱交換是通過導體進行的,其熱交換率與轉速無關。電機超過一定的轉速,在其氣隙中就會產生環形渦流(泰勒渦流),它影響氣隙中摩檫的產生和熱交換。此時,熱交換率隨著轉速的提高而增大,電機產生的熱量是從定子和轉子向氣隙傳遞的,熱交換率發生了變化,與熱量沿轉子到氣隙再到定子路徑傳遞時不一樣了。研究表明,表面粗糙的轉子與光滑的轉子相比,最高可增加熱交換率70%.為了減小溫升和高速電機的體積,將電機運行時產生的熱量有效散發出去,封閉的液體散熱系統必須被采用。設計時,定子表面都用外隔循環水冷卻。這種散熱系統采用常溫的乳化水作為致冷劑,水就在定子的水槽中流動。高速電機的散熱設計既要考慮有利于電機尺寸的減小和控制軸承的溫升,又要考慮不影響軸的性能。轉子的散熱是比較困難的事情,因為轉子和軸承內部不能用水冷系統直接進行散熱。

  轉子、軸和軸承可以用潤滑系統的油霧進行局部散熱。對高速電機進行散熱設計時應注意以下問題:水冷系統不能帶走轉子隨輸出功率升高而增加的損耗熱量。

  不能被水冷系統帶走的損耗熱量,可通過潤滑油霧和轉軸空氣的熱交換帶走。

  在電磁設計階段,要考慮水冷系統對轉子損耗散熱作用不大這種情況。

  在總損耗不變時,設計中應盡量增加定子產生的損耗,而減少轉子損耗。

  設計良好的散熱系統必須使電磁(下轉第91頁)riddle“譯成”斯芬克司之謎“audasKiss”譯成“猶大之吻”,“towerofivory”譯成“象牙之塔”。這樣不僅讀者接受了新的文化元素,也豐富了譯入語語言。如果依照讀者“反應”

  的標準來看,這就是失敗的譯文了,因為中國不可能對于斯芬克司、猶大、象牙塔之類的人和事和西方人有同等反應。而應該翻譯成“貓哭老鼠”、“難解之迷”、“背叛行為”“世外桃源”。這樣的譯文確實讓中國讀者讀來親切、順暢、容易理解,但同時也不會感受到異域文化特色了,讓翻譯沒有起到文化傳播的作用。任何一個國家和民族,文化要發展,離不開與其他文化的彼此交流。只有交流才能保持其發展的生機與活力。正如季羨林先生所說“倘若拿河流來作比,中華文化這一條長河,有水滿的時候,也有水少的時候,但從未枯竭。原因就是有新水注入。”2當然,在文學翻譯中對文化因素的處理受到各種因素的制約。其中重要一點,恐怕也是根本原因即譯者對目的語態度的問題,也就是強勢語言文化和弱勢語言文化的問題。面對由強勢語言寫成的原文,譯者往往有自卑心理,希望越多地效仿、吸收其語言精華,反映在譯法上自然亦步亦趨,生怕違背了原義。正相反,面對弱勢語言的文化,譯者心理比較輕松,沒有那么多顧慮,所以免不了把原文改紅為綠。

  例如:世人都曉神仙好(紅樓夢,第一回,好了歌)面對翻譯研究的文化學轉向,翻譯更加重視文化因素的傳遞和理解。而要做到這一目標僅靠“動態對等”理論的標準是難以達到的。

  然而在廣告翻譯中,讀者“反應”這一點卻被充分利用了。廣告翻譯一定要適合大眾審美心理,顧客才會愿意去消費,太“異化”的譯語會讓人產生抗拒心理。英國轎車RollsRoyce譯成“勞斯萊斯”,表面文字根本不能說明什么意義。

  其實成功的譯語很多,如“奔馳”之“Bentz”“可口可樂”之“cocacola”‘霓虹燈“之”neonlight“等等。但是對于法律、科技翻譯等,原文嚴謹、規范、緊湊、連貫性強,而且要求不能標新(上接第75頁)結構和機械軸承的溫升限度同時到達。

  如果在電磁系統未達到額定溫升的時候軸承已達到額定溫升的話,那么在電磁系統達到額定溫升時軸承可能超過了額定溫升,電機就不能正常工作了。

  高速電機是近幾十年來電力電子技術、材料科學、計算機技術發展的產物。高速異步電機得到了廣泛的應用。本文對高速異步電機設計的關鍵技術進行了闡述。掌握和理解這些關鍵技術有利于我國高速電機的設計立足先進水平,進一步提高設計質量。

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