【正文】 主要可以分為兩大類：傳遞矩陣法和有限元法。 有限元法的運動方程表達方式簡潔，規(guī)范，在求解轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題或轉(zhuǎn)子和周圍結(jié)構(gòu)一起組成的復(fù)雜機械系統(tǒng)的問題時，有很多優(yōu)點。有限元法對復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剖分龐大，計算結(jié)果比傳遞矩陣法準確，然而計算耗時長，占用內(nèi)存大。現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，給有限元法提供了良好的硬件技術(shù)，目前，有限元方法得到了廣泛的應(yīng)用。 總而言之，國外對高頻 電機及相 關(guān)技術(shù)的研究比較早，已經(jīng)取得了很多的研究成果，而且隨著新材料的不斷出 現(xiàn)，加工工藝的不斷改進，技術(shù)必將以更快的速度向前推進。國內(nèi)對高頻 電機的研究還不是很多，基本上限于功率較小的發(fā)電機或電動機。 高頻交流電動機設(shè)計 3 第 2 章 高頻異步電機的設(shè)計特點 磁性材料的選擇 高頻 異步電機供電頻率在幾百赫茲到幾千赫茲 ,隨著頻率的提高 ,鐵心損耗會迅速增加 ,鐵心損耗將占高頻 異步電機總損耗的比重較大 (與普通異步機相比 ) ,而且高頻 異步電機的轉(zhuǎn)速要比普通異步電機的轉(zhuǎn)速快幾倍到幾十 倍 ,在旋轉(zhuǎn)過程中 ,必然產(chǎn)生比普通異步機高得多的離心力。在額定運行時 ,轉(zhuǎn)子材料將承受很大的切向應(yīng)力 ,所以不能采用 50Hz 供電的普通異步電機的磁性材料 ,而應(yīng)選用其他性能更好的磁性材料。為了減少鐵心損耗和在低磁場強度下產(chǎn)生高飽和磁通密度 ,可選用各向同性 3 %硅含量的 厚硅鋼片。高強度軟磁合金— 鈷鐵合金也非常適用于作高頻 異步電機的磁性材料 ,鈷鐵合金比較昂貴 ,但是經(jīng)過特殊的熱處理 ,這種材料的屈服強度可以達到 600mN/m2(如 49Co/ 49Fe/ 2V 合金 ) ,電磁性能較好。鈷鐵合金 已經(jīng)被應(yīng)用于航空發(fā)電機和磁軸承上 ,取得了較好的效果 [7]。非晶態(tài)磁性材料也是一類研究和開發(fā)中的新材料 ,高飽和型非晶態(tài)軟磁材料很薄 (～ ) ,電阻率比晶態(tài)合金高 3 到 4 倍 ,具有優(yōu)良的軟磁特性 ,可取代硅鋼片作為鐵心材料 ,損耗只有硅鋼片的 1/3～ 1/6 。另外 ,這種材料的抗拉強度是普通硅鋼片的 3 倍。與硅鋼片相比 ,非晶態(tài)磁性材料的缺點是飽和磁感應(yīng)強度 (最大值是 2T) 和鐵心占空比系數(shù)較低 ,機械加工性差 ,在較高溫度下性能不穩(wěn)定 ,但是此種材料的高電阻率和高機械強度很適合 高頻電 機的特點。從上面的分析可知 ,高頻 異步電機可以采用三種方案 : ( 1 ) 定子鐵心材料采用各向同性 3 %硅含量的 厚的硅鋼片 ,轉(zhuǎn)子鐵心則采用軟磁合金疊裝 。 (2)定子和轉(zhuǎn)子鐵心材料可都采用軟磁合金材料 。 (3) 定子鐵心采用傳統(tǒng)疊層結(jié)構(gòu)的硅鋼片或軟磁合金材料 ,而轉(zhuǎn)子為了提高強度、剛度、均勻度可設(shè)計成實心的。 鼠籠式轉(zhuǎn)子的槽型和導(dǎo)條材料選擇 一般高頻 異步電機轉(zhuǎn)子的鼠籠被設(shè)計成圓形閉口槽 ,以防止由于電機高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將導(dǎo)條拋出 ,發(fā)生危險。為了減小轉(zhuǎn)子的熱損耗 ,提高電機的效率 ,導(dǎo)條要選用銅甚至銀材料 ,這樣電流密度可做大。定子電密 度 可達 16A/ mm2(普通異步電機是 7～ 11A/mm2) ,轉(zhuǎn)子電密 度 達 20A/mm2(普通異步電機是 10～ 15A/ mm2) 。另外 ,如果轉(zhuǎn)子槽閉口 ,轉(zhuǎn)子的圓柱表面可以制作得比較光滑 ,可以減小電機的風(fēng)阻損耗等附加損耗。轉(zhuǎn)子端環(huán)可采用整體銅環(huán)并經(jīng)銀焊與導(dǎo)條牢固地焊在一起 ,可以進一步減小轉(zhuǎn)子電阻降低轉(zhuǎn)子電損耗。 在高頻 異步電機的設(shè)計中 ,轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度是一個重要的問題。研究表明 ,傳統(tǒng)的異步電機疊層轉(zhuǎn)子的圓周線速度最高可達 200m/s ,但是超過這一速度 ,疊層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子機械強度就不夠了 [8]。采用實心轉(zhuǎn)子的異步電機由于結(jié)構(gòu)簡單 ,轉(zhuǎn)子的機械可靠性高 ,適宜于高速甚至超高速運行。實心轉(zhuǎn)子異步電機的定子結(jié)構(gòu)與普通電機相同。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子異步電機區(qū)別于普通異步電機的高頻交流電動機設(shè)計 4 關(guān)鍵。在實際運行時 ,由于集膚效應(yīng) ,轉(zhuǎn)子電流 (渦流 ) 和磁通主要集中在轉(zhuǎn)子表面較薄的滲透層內(nèi) ,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(zhuǎn)子異步電機的特有性能。 研究表明 ,高速光滑有限長實心轉(zhuǎn)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 [9]。而氣隙諧波的產(chǎn)生是由于定子繞組在槽中位置的不連續(xù)性 (繞組諧波 )以及不光滑的定子表面的導(dǎo)磁率的變化(導(dǎo)磁諧波 ) 。減小高速實心轉(zhuǎn)子異步電機的損耗的方法總結(jié)出來有 : (1)減小磁導(dǎo)諧波。一是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。另外增加氣隙長度可以減小轉(zhuǎn)子表面的磁通波動。二是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減小轉(zhuǎn)子表面的損耗。 (2) 用分層理論方法對 48000r/ min 的實心轉(zhuǎn)子電機的分析計算表明 ,含銅量在 25%～ 30%的銅鐵合金作高速實心轉(zhuǎn)子電機具有較高的電氣性能。 (3)可以在實心轉(zhuǎn)子表面覆蓋一層合適的材料來減小轉(zhuǎn)子表面的損耗 ,這種做法增加了轉(zhuǎn)子的表面阻抗。覆蓋在轉(zhuǎn)子表面層的材料一般要求高導(dǎo)磁性和低導(dǎo)電性。一般用鋁鐵合金或純銅。要減小轉(zhuǎn)子的基本阻抗 ,可以在外層材料和轉(zhuǎn)子本體之間加一層有很好導(dǎo)電性的材料 ,這樣做可以得到更大的轉(zhuǎn)矩。 (4)為了改善實心轉(zhuǎn)子異步高頻 電機的電氣性能 ,可以在轉(zhuǎn)子表面軸向或周向開槽。在一些 應(yīng)用中 ,在實心轉(zhuǎn)子中加入導(dǎo)條 (類似于疊層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子 ) 以提高電機性能 ,但是其等值電路要修正 ,實心轉(zhuǎn)子的參數(shù)作為等值電路中新加入的并聯(lián)支路。 定子槽型和繞組問題 高頻 異步電機定子槽型的選擇和繞組線規(guī)的選擇可類似于普通異步機的設(shè)計 ，對于高頻 感應(yīng)電機 ,定子槽可采用半閉口槽 ,但采用較寬的槽口 ,以減小槽漏抗 ,提高運行特性的硬度及過載能力 ,最好在三相繞組端部串聯(lián)三個溫度傳感器 (熱敏電阻 )進行過載保護 (散熱系統(tǒng)和供電系統(tǒng)故障可能引起電流過載 ) 。為了得到較好的正弦波形 ,消除和減少高次諧波的影響 ,減小振動 ,定子一般采用雙層短距或整距繞組 ,定子斜槽。 高頻異步電機的參數(shù)計算問題 [10] 高速頻電機電磁設(shè)計的一個很重要的內(nèi)容是計算電機參數(shù) ,通過電機參數(shù)可以計算得到高頻電機的機電特性 (如轉(zhuǎn)矩 /速度曲線 ,轉(zhuǎn)矩 /電流曲線 ,效率 /輸出功率曲線等 ) 。但是高頻異步電機有其特殊的電磁規(guī)律 ,原來用于普通異步電機的電機參數(shù)計算方法顯然不能用于高頻異步電機。特別要考慮 :主磁通的飽和 。漏磁通的飽和 。定子和轉(zhuǎn)子繞組的集膚效應(yīng)。 (1) 定子電阻 Rs 實際工作狀態(tài)下 ,定子繞組的頻率很高 ,由于集膚效應(yīng)的 影響 ,定子的交流高頻交流電動機設(shè)計 5 電阻必然發(fā)生變化 ,其值是直流電阻乘以集膚效應(yīng)系數(shù)。但是文獻 [10]研究表明 ,一般高頻異步電機定子繞組由于線徑很小 ,對集膚效應(yīng)不很敏感 ,用直流電阻值代替交流電阻 ,對高頻異步電機的性能計算精度影響不大。因此該電阻的計算公式和普通異步電機的計算公式完全一致。 (2) 定子漏抗 Xs Xs = X1s + X1c + X1a (5) 對于高頻異步電機來說 ,定子的槽漏抗 X1s 和氣隙漏抗 X1a受磁飽和的影響 ,但受集膚效應(yīng)的影響不大 ,因此其定子的槽漏抗和氣隙漏抗的設(shè)計值可以利用普通異步電機相應(yīng)的計算公式獲得 ,但還要乘上相應(yīng)飽和系數(shù) ,槽漏抗對應(yīng)的飽和系數(shù) Kal = 11/2 q,氣隙漏抗對應(yīng)的飽和系數(shù) Kal≈ 0. 9 ,上式中 q 表示每極每相槽數(shù)。端部漏抗 X1c就采用普通異步電機的計算公式。 (3) 轉(zhuǎn)子電阻 (折算到定子側(cè) ) 一般高頻異步電機被設(shè)計成鼠籠型轉(zhuǎn)子 ,導(dǎo)條的截面積較定子導(dǎo)線截面積大得多 ,且在額定轉(zhuǎn)差率下 ,轉(zhuǎn)子的滑差頻率較高 (例如同步轉(zhuǎn)速 30000r/ min ,2 對極 ,轉(zhuǎn)差 時 ,轉(zhuǎn)子的工作頻率就是 100Hz) ,因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的集膚效應(yīng)就不能忽略了 ,集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻增大。另外 ,轉(zhuǎn)子的電阻還受到轉(zhuǎn)子槽閉合飽和的影響。由于轉(zhuǎn)子的槽被閉合 ,閉口槽的齒橋高很易飽和 ,而且受到?jīng)_剪加工的影響 ,晶格受到破壞 ,因此齒橋的磁導(dǎo)率也就大大降低 ,從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電阻和電抗的非線性特征。對于高頻異步電機來說 ,這個現(xiàn)象可以用等效開槽來模擬[10],此槽的的開口尺寸是原閉口槽直徑尺寸的 %～ %比較合適 (與實驗結(jié)果吻合得較好 ) 。由以上分析可知 ,轉(zhuǎn)子電阻 (折算到定子側(cè) ) 的計算要考慮集膚效應(yīng)系數(shù) Kr和飽和效 應(yīng)。 (4) 轉(zhuǎn)子漏抗 轉(zhuǎn)子的槽漏感受集膚效應(yīng)的影響 ,使槽漏感減小 ,其集膚效應(yīng)系數(shù)為 Kl 。另外 ,受飽和的影響 ,轉(zhuǎn)子的實際漏抗要減小 ,將轉(zhuǎn)子閉口槽的等效開口槽尺寸定為原閉口槽直徑尺寸的 %～ % ,用所對應(yīng)的半閉口圓形槽的計算公式 ,以此來模擬閉口圓形槽的飽和效應(yīng)。 (5) 轉(zhuǎn)子的槽漏抗集膚效應(yīng)系數(shù) Kl 和轉(zhuǎn)子的電阻集膚效應(yīng)系數(shù) Kr 的計算 Kr =Rac/Rdc 1 Kl =Lac/Ldc 1 (6) 轉(zhuǎn)子的電阻集膚效應(yīng)系數(shù)和槽漏抗集膚效應(yīng) 系數(shù)的計算比較困難 ,這是因為目前為止對圓形槽里的圓形導(dǎo)體的特性研究得不是很深入 ,不可能用簡單的關(guān)系式來計算。一般用下面的方法計算 : 首先計算不考慮集膚效應(yīng)的轉(zhuǎn)子直流電阻 Rrdc和轉(zhuǎn)子槽漏抗 Xrdc ,由 Xrdc/Rrdc= 2(βh) 2/3 (7) 可求得 h (等效矩形導(dǎo)條的高度 ) ,則 Kr=βh {[sin h(2βh)+sin (2βh) ]/[cosh(2βh) cos (2βh) ]} Kl=3{[sin h(2βh) sin(2βh )]/[cos h(2βh) cos(2βh) ]}/2βh (8)其中 :β =(ω μ 0c/2ρs )1/2 (9) 式中 :ω為電角速度 (對應(yīng)于導(dǎo)條內(nèi)電流的頻率 ) , c 為導(dǎo)條寬 , s 為槽寬 , h 為等效矩形導(dǎo)條高 ,ρ為材料的電阻率。對于一個圓形槽來說 , c/ s 等于 1。 高頻交流電動機設(shè)計 6 (6) 激磁電抗 電機參數(shù)的激磁電抗是非線性的 ,這種非線性歸因于高頻異步電機磁性材料的飽和 ,因此用一個精確的關(guān)系式來計算它是不可 能的。然而 ,僅考慮高頻異步電機等效氣隙的基波磁場的話 ,不飽和激磁電抗可以用下面的關(guān)系式來計算 : Xm=16msf(NsKws)2σ L/pδ 10 7 （ 10） 式中 :δ 考慮狹槽效應(yīng)的等效氣隙長度。 從工業(yè)用高速電機的大量使用后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看 ,高頻異步電機的實際激磁電抗必須要在不飽和的激磁電抗的基礎(chǔ)上乘上一個考慮飽和效應(yīng)的系數(shù) : Xm=(～ ) Xm (11) (7) 鐵耗等效電阻 電機的鐵耗包括磁滯損耗和渦流損耗兩部分，它與電機鐵心的結(jié)構(gòu)參數(shù)、電壓頻率以及磁通密度有關(guān)，從理論上很難推導(dǎo)出精確計算鐵損的公式。在動態(tài)分析時參考文獻 [11]提出的電機物理模型思路，根據(jù)鐵耗產(chǎn)生機理，將電機損耗用一等效的純電阻損耗來表示。對于異步電機，鐵耗主要產(chǎn)生于定子鐵心中，即在模型中只在定子側(cè)有鐵耗等效繞組 。 鐵耗等效電阻的精確計算一般很困難 ,因為需要知道鐵心內(nèi)部的磁通密度的分布。在電機性能計算中忽略鐵耗等效電阻 ,計算得到的機電特性不受影響 。 高頻 電機散熱設(shè)計問題 在高頻 電機應(yīng)用系統(tǒng)中 ,主要的熱源是高頻電機本身和軸承。高頻 電機的發(fā)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頻 電機的總損耗的相當大的比例 ,約 30 %～ 40 %。 轉(zhuǎn)子與空氣間的摩擦損耗是高頻 電機要特殊考慮的熱源 [12]。轉(zhuǎn)子的散熱主要依靠氣隙中的氣流 ,氣隙中的摩擦損耗使轉(zhuǎn)子的溫度升高 ,氣隙中的軸向冷卻氣流可以降低氣隙溫度。除了摩擦損耗 ,轉(zhuǎn)子的溫升還依賴于轉(zhuǎn)子表面的熱交換系數(shù) ,這一參數(shù)決 定于轉(zhuǎn)子圓周線速度和冷卻氣流的軸向速度。許多學(xué)者和研究人員提出了相應(yīng)的計算摩擦損耗的公式 ,但這些公式只能用在氣隙表面光滑的條件下。除了轉(zhuǎn)子速度外 ,氣隙中的摩擦轉(zhuǎn)矩還受高頻 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(zhuǎn)子軸向開槽對摩擦轉(zhuǎn)矩的影響。電機在低速運轉(zhuǎn)時 ,氣隙流是層流狀的 ,并且氣隙中的熱交換是通過導(dǎo)體進行的 ,其熱交換率與轉(zhuǎn)速無關(guān)。電機超過一定的轉(zhuǎn)速 ,在其氣隙中就會產(chǎn)生環(huán)形渦流 (泰勒渦流 ) ,它影響氣隙中摩擦的產(chǎn)生和熱交換。此時