高速異步電機設(shè)計探討

唐永紅，胡一明

（1.重慶賽力盟電機有限責(zé)任公司，重慶 401329；2.重慶理工大學(xué)，重慶 400050）

高速異步電機設(shè)計探討

唐永紅1，胡一明2

（1.重慶賽力盟電機有限責(zé)任公司，重慶 401329；2.重慶理工大學(xué)，重慶 400050）

結(jié)合高速電機的特點，通過運用有限元聯(lián)合仿真，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、通風(fēng)散熱設(shè)計、電磁設(shè)計等方面進行設(shè)計分析計算，確定整機的優(yōu)化電磁結(jié)構(gòu)。

高速電機； 結(jié)構(gòu)設(shè)計； 通風(fēng)散熱； 電磁設(shè)計

1 概述

上世紀(jì)末以來，由于軍用和民用對高速電機的需求越來越多，英美等發(fā)達國家競相開展了對高速電機的研究。高速電機的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，如高速磨床及其他加工機床，高速飛輪儲能系統(tǒng)，天然氣輸送及污水處理中采用的高速離心壓縮機和鼓風(fēng)機等。近來，隨著我國電氣系統(tǒng)節(jié)能工作的推進，以往通過齒輪箱增速的設(shè)備更多向高速電機直聯(lián)改進，高速電機也越來越受到人們的關(guān)注。

高速電機通常是指轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min的電機。它具有以下優(yōu)點：一是由于轉(zhuǎn)速高，所以電機功率密度高，體積遠小于同等功率的普通電機，可以有效地節(jié)約材料，減小安裝空間的限制；二是可直接與原動機相連，取消了傳統(tǒng)的增速機構(gòu)，傳動效率高，噪音小，系統(tǒng)成本低；三是由于高速電機轉(zhuǎn)動慣量小，所以動態(tài)響應(yīng)快。

在高速運行情況下，電機的運行特性與常規(guī)電機有很大不同，對電機的設(shè)計理論和控制技術(shù)提出了一系列新的研究課題。我公司近期根據(jù)客戶要求開發(fā)設(shè)計了一臺高速電機：電機功率200 kW，電壓380 V，轉(zhuǎn)速最高18 000 r/min，轉(zhuǎn)矩不低于200 N·m，電機轉(zhuǎn)動慣量小于0.5 kg·m2。本文就此次設(shè)計作如下介紹和闡述。

2 高速電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電機采用開啟式箱式結(jié)構(gòu)，由定子、轉(zhuǎn)子、前后端蓋、軸承裝配等組成電機本體。冷卻風(fēng)機安裝于電機正上方，電機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

先根據(jù)工程經(jīng)驗初算方案，大致選定三圓尺寸（定子外圓、定子內(nèi)圓、轉(zhuǎn)子內(nèi)圓）及鐵芯長度，然后通過有限元分析、電磁方案分析等，反復(fù)迭代、優(yōu)化，最終形成可實現(xiàn)的工程方案。

2.2 軸承選取

軸承是高速電機的核心部件，軸承設(shè)計時要考慮最大轉(zhuǎn)速、軸向和徑向的剛度、機械負(fù)載的方向和大小、軸的尺寸、軸承配對、潤滑脂牌號及安裝方式等因素。在高速電機中，主軸軸承（高精度單列角接觸球軸承）的應(yīng)用比較廣泛，因為在高速異步電機有實際機械負(fù)載的條件下，這種軸承呈現(xiàn)了很好的速度和剛度的折中。

本例高速電機的軸承選取，通過與軸承供應(yīng)商的聯(lián)合計算，綜合運行壽命與軸承價格，最終選擇的軸承配置方式如表1所示。

表1 高速電機軸承（HS7013-C-T-P4S-UL）配置

2.3 轉(zhuǎn)子設(shè)計

由于高速電機轉(zhuǎn)子上的離心力與線速度的平方成正比，高速電機要求具有很高的機械強度;又由于高速電機頻率高，鐵耗大，在設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)降低鐵芯中的磁密，采用低損耗的鐵芯材料。

本次設(shè)計轉(zhuǎn)軸材料采用φ90 mm的40CrNiMoA合金圓鋼，沖片采用厚度為0.35 mm的B35A310寶鋼冷軋無取向硅鋼片，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用鑄銅方式，并在轉(zhuǎn)子端環(huán)徑向用去重法校平衡。

2.3.1 臨界轉(zhuǎn)速分析

轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析，本質(zhì)為旋轉(zhuǎn)構(gòu)件在旋轉(zhuǎn)工況下的模態(tài)分析，回轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯修改結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼矩陣，因而與自由狀態(tài)下的模態(tài)分析結(jié)果有很大的不同。旋轉(zhuǎn)工況帶來的主要效應(yīng)有陀螺效應(yīng)和旋轉(zhuǎn)軟化。對于有支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)還要考慮系統(tǒng)的彈性支撐。另外，對于電機來說一般還需要考慮單邊電磁力的影響。

行業(yè)用的有限元軟件有很多，基本能夠?qū)?gòu)件的模態(tài)進行分析，但是很少有軟件能夠?qū)ｉT考慮構(gòu)件旋轉(zhuǎn)帶來的附加效應(yīng)，如陀螺效應(yīng)和旋轉(zhuǎn)軟化，必須修改輸入文件才能做類似的分析。而某些有限元計算軟件能夠在UI界面下直接對轉(zhuǎn)子進行臨界轉(zhuǎn)速的分析，也能保證一定的精度，例如ANSYS。下面的分析，使用ANSYS完成。

幾何建模在inventor中完成，網(wǎng)格劃分在hypermesh中完成，使用ANSYS求解器求解。四面體單元為solid185單元，兩邊的軸承使用combin214單元模擬，軸承剛度使用經(jīng)驗公式估算。建立有限元模型，如圖2所示。

圖2 有限元模型

計算完成后生成坎貝爾圖（見圖3），圖中斜率為1的斜線與頻率曲線的交點即為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速點，與最下面的曲線交點為一階臨界轉(zhuǎn)速點，依次往上與第二條、第三條的交點為二階和三階臨界轉(zhuǎn)速點。此轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的一階臨界轉(zhuǎn)速點位為336 Hz，折合成轉(zhuǎn)速為20 160 r/min，一階轉(zhuǎn)速遠遠大于零部件的工作轉(zhuǎn)速。

圖3 坎貝爾圖

2.3.2 離心力作用下轉(zhuǎn)子受力分析

轉(zhuǎn)子受力分析在SolidWorks Simulation中完成，除系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)材料庫外，需自定義B35A310硅鋼及40CrNiMoA合金鋼的材料參數(shù)，見表2。

表2 自定義材料參數(shù)

通過建立初算方案的模型，進行仿真計算，并根

2P的沖片三圓尺寸（其中轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)孔落料尺寸為Φ75 mm，鐵芯疊壓采用內(nèi)孔鍵槽，鑄銅完成后加工內(nèi)孔尺寸到Φ82 mm，既消除鍵槽應(yīng)力集中，又增加軸的強度）。為了更好地通風(fēng)散熱，采用了1.1 kW的L系列離心通風(fēng)機L-064，電機氣隙增大到2 mm，定子中心高200 mm使出風(fēng)孔面積加大。在控制總損耗不變的前提下，設(shè)計時盡量增加定子損耗，減少轉(zhuǎn)子損耗，緩和轉(zhuǎn)子及軸承散熱的壓力。

電機機座通風(fēng)面積校核計算如下所示。

3.1 電機進風(fēng)面積校核計算

工程經(jīng)驗計算：1 kW的損耗需進風(fēng)量約為0.030 7 m3。

電磁計算結(jié)果如下所示。

為保證散熱效果，工程計算進風(fēng)面積時乘以1.2的系數(shù)，則有P損耗＝P損耗（理）×1.2≈8 kW。

需進風(fēng)量 =P損耗×0.030 7=8×0.030 7=0.245 6 m3。

L-064風(fēng)機流量=1 600 m3/h=0.444 4 m3/s。

式中，V為轉(zhuǎn)子外圓線速度：

注：該電機額定轉(zhuǎn)速為9 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為18 000 r/min，因電機用作試驗設(shè)備，最高轉(zhuǎn)速運行時間較短，此處按額定點計算外圓線速度。

3.2 電機出風(fēng)面積校核計算

該電機出風(fēng)口采用2個210 mm×130 mm的百葉窗，經(jīng)驗計算中百葉窗利用率一般取65%～75%，則

4 高速電機電磁設(shè)計

由于本次設(shè)計的高速電機基準(zhǔn)頻率在150 Hz，達到最高轉(zhuǎn)速180 00 r/min時頻率要調(diào)到300 Hz，隨著頻率的提高，鐵芯損耗會迅速增加，與普通電機相比，高速電機的鐵芯損耗占電機總損耗的比重較大。為了減少鐵芯損耗和在低磁場強度下產(chǎn)生高飽和磁通密度，選用了各項性能都較優(yōu)的厚度為0.35 mm寶鋼冷軋無取向硅鋼片B35A310。

該電機轉(zhuǎn)速是普通電機轉(zhuǎn)速的3～6倍，在旋轉(zhuǎn)過程中，會產(chǎn)生比較大的離心力，轉(zhuǎn)子材料將承受很大的切向應(yīng)力。因此，轉(zhuǎn)子采用了鑄銅轉(zhuǎn)子。同時，銅的高導(dǎo)電率、轉(zhuǎn)子端環(huán)及導(dǎo)條的電流密度取值可適當(dāng)增加，從而進一步減小鐵芯幾何尺寸。

轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計成梨形閉口槽，以減小應(yīng)力集中，并防止電機高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將電機導(dǎo)條甩出，發(fā)生危險。同時，槽形比較光滑可以減少風(fēng)阻損耗等附加損耗。

電機定子槽形采用現(xiàn)有的Y180-2電機槽形，整套定子設(shè)計類似于普通異步電機設(shè)計。

電磁參數(shù)選取見表3。

表3 電磁方案參數(shù)選取

5 結(jié)論

本文通過運用有限元聯(lián)合仿真，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、通風(fēng)散熱設(shè)計、電磁設(shè)計等方面進行設(shè)計分析計算，確定整機的優(yōu)化電磁結(jié)構(gòu)。本例設(shè)計的最終產(chǎn)品已通過試驗驗證及用戶驗收，整機運行情況良好。實踐證明，上述方法可快速、準(zhǔn)確地完成高速異步電機的設(shè)計開發(fā)工作。

［1］ 陳世坤.電機設(shè)計［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

［2］ 上海電器科學(xué)研究所.中小型電機設(shè)計手冊［Z］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.

［3］ 王鳳翔.高速電機的設(shè)計特點及相關(guān)技術(shù)研究［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)報，2006（3）：258-264.

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［5］ 哈爾濱電機制造學(xué)校.電機設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1989.

［6］ 湯蘊繆，史乃.電機學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

A Study on the Design of the High-speed Asynchronous Electric Machine

TANG Yong-hong1，HU Yi-ming2
（1．Chongqing Electric Machine Federation Co., Ltd.，Chongqing 401329，China；2．Chongqing University of Technology，Chongqing 400050，China）

Based on the characteristics of the high-speed electric machine，by means of the finite element co-simulation，this article introduces the design，analysis and calculation in the aspects of the structural design，the ventilation and cooling design and the electromagnetic design，to determine the optimized electromagnetic structure of the complete machine．

high-speed electric machine；structural design；ventilation and cooling；electromagnetic design

TM343

A

1008-8032（2015）06-0013-04

2015-02-06

該文獲重慶市電機工程學(xué)會2014年學(xué)術(shù)年會優(yōu)秀論文一等獎

唐永紅（1983-），工程師，研究方向為高速電機及高效電機。