【正文】 密度 ,可選用各向同性 3 %硅含量的 厚硅鋼片。 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。 在轉(zhuǎn)子動力學發(fā)展的近百年的歷史中，出現(xiàn)過很多計算方法，發(fā)展到今天，現(xiàn)代的計算方法主要可以分為兩大類：傳遞矩陣法和有限元法。 由于高頻電機轉(zhuǎn)子上的離心力與線速度的平方成正比，高頻電機要求具有很高的機械強度；又由于高頻 電機頻率高，鐵耗大，在設(shè)計時應(yīng)適當降低鐵心中的磁密，采用低損耗的鐵心材料。三是由于 高頻 高速電機轉(zhuǎn)高頻交流電動機設(shè)計 2 動慣量小，所以動態(tài)相應(yīng)快 ［ 45］ 。 高頻電機的應(yīng)用 高 頻高 速電機正成為電機領(lǐng)域的研究熱點。要考慮諧波對電機性能的影響。 與電網(wǎng)供電不同，變頻器供電電壓、電流中含有大量的諧波，對電機的性能會產(chǎn)生顯著的影響，如電機電流增大，損耗增加，效率、功率因 數(shù)降低，溫升增加，還會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動，使振動和噪聲增大。在高速電機應(yīng)用中 ,異步電機由于成本低、結(jié)構(gòu)簡單和控制技術(shù)成熟 ,是高速電機選擇的主要類型。其主要特點有兩個：一是 由于輸入頻率高使轉(zhuǎn)子 高速旋轉(zhuǎn)；二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率。structural strength design of rotor 。 關(guān)鍵詞 :高頻 異步電機 。軸承設(shè)計問題 。 目 錄 摘 要 …………………………………………………………… …………… ……Ⅰ Abstract… ……… …………………………………………………………… …… Ⅱ 第 1 章 緒論 …………………………………… ………………………………… 1 概 述…………………… … ………………………………………… …… 1 高頻電動機的研究現(xiàn)狀…………………………… … …………………… 1 高頻電動機的應(yīng)用……………………… … ……………………………… 1 第 2 章 高頻電動機設(shè)計特點 …………………………………………………… 3 磁性材料的選擇 …………… ……………………………… ………… 3 鼠籠式轉(zhuǎn)子的 槽型和導(dǎo)條材料選擇 …………………………………… … 3 定子槽型和繞組問題 …………………………………………………… … 4 高頻異步電機的參數(shù)計算問題 ……………………………………… … 4 高頻電機散熱設(shè)計問題 ……………………………………………… … 6 第 3 章 高頻異步電機的軸承分析 ……… … …… ……………………………… 8 機械軸承設(shè)計 …………………… … ………… …………………………… 8 無摩擦軸承技術(shù) ……………… … … …………… ………………………… 8 非機械接觸式高速軸承的分 類 ………… … ……………………………… 8 第 4 章 10kw 高頻交流異步電動機電磁設(shè)計 …………………………………… 10 額定數(shù)據(jù)和主要尺寸………………… … … ……… …………………… 10 磁路計算………………………… … … ……… ……… ………………… 15 參數(shù)計算…………………………… … …… …… …………… ………… 19 工作性能計算……………………… … … … …………………… ……… 24 起動性能計算…………… ……… … ……… …………………………… 29 結(jié)束語 ……………………… …………………………………… ………………… 34 參考文獻 ………………………………… ……… ………… … …………………… 35 致謝 …………………………………………………………… ……… …………… 37 附錄 ……………………………………………………………………………… … 38 高頻交流電動機設(shè)計 I 10kw 高頻交流電動機 設(shè)計 摘 要 : 高頻 電機現(xiàn)正成為電機領(lǐng)域的研究熱點之一。 二 、進度安排及完成時間： 1. 2 月 21 日 至 3 月 13 日：查閱資料；撰寫文獻綜述和開題報告；確定總體方案。 設(shè)計的主要內(nèi)容如下： 1. 分析 高頻 交流電動機特點及基本原理 。通過畢業(yè)設(shè)計要求學生熟悉及掌握該技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)知識，為學生今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。 4. 完成高頻 交流電動機電磁設(shè)計 。 6. 6 月 10 日至 6 月 12 日：畢業(yè)設(shè)計 答辯 。 本文 討論了高頻 異步電機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) :電磁設(shè)計問題 。這些關(guān)鍵技術(shù)不同于普通異步電機的設(shè)計技術(shù) ,對 于高頻 異步電機的正常運行和控制有重要的指導(dǎo)意義。 bearing design 。 key technology. 高頻交流電動機設(shè)計 1 第 1 章 緒論 概述 高頻 電機現(xiàn)正成為電機領(lǐng)域的研究熱點之一。 高頻 電機要求轉(zhuǎn)子上無繞組、無電刷和滑環(huán) ,鼠籠式異步電機、無 刷直流電機、開關(guān)磁阻電機等均適合于高速運轉(zhuǎn)。高 頻電機已經(jīng)在渦輪機械、高速加工中心、飛輪儲能、電動工具等許多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，并且這個領(lǐng)域仍在不斷的擴大。高 頻電機運行在高頻 狀態(tài)下，無論是工作狀態(tài)還是材料性質(zhì)都發(fā)生了很大的變化，同時高 頻電機均為變頻器供 電，運行在大量的諧波下。文獻 [3]提出考慮鐵損的異步電機 高速性能的矢量模型，為研究高 頻電機特性和設(shè)計提供了新思路．總之對電機的高速性能研究現(xiàn)在還在初級階段，還沒能找到行之有效的方法，還有很長的一段路要走。 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。 （ 3）由燃氣輪機驅(qū)動的高頻 發(fā)電機體積小，具有較高的機動性， 可用于一些重要設(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。 高頻 電機在高速旋轉(zhuǎn)時的離心力很大，當線速度達到 200m/s 以上時，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難 以承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，需要采用特殊的高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子。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。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。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 。 (2)定子和轉(zhuǎn)子鐵心材料可都采用軟磁合金材料 。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) 。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]。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。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。 (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。 (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。 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 ) 。定子和轉(zhuǎn)子繞組的集膚效應(yīng)。 (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)。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。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)。 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。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 。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。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。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)。 為了減小溫升和高頻 電機的體積 ,將電機運行時產(chǎn)生的熱量有效散發(fā)出去 ,采用封閉的液體散熱系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子的散熱是比較困難的事情 ,因為轉(zhuǎn)子和軸承內(nèi)部不能用水冷 系統(tǒng)直接 進行散熱。 (3) 在電磁設(shè)計階段 ,要考慮水冷系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子損耗散熱作用不大這種情況。 高頻交流電動機設(shè)計 8 第 3 章 高頻異步電機的軸承設(shè)計分析 機械軸承設(shè)計 軸承是高頻電機的核心部件。機械負載的方向和大小 。NDm 定義為 :最大轉(zhuǎn)速 ( r/min)與軸承內(nèi)外徑平均值 (mm)的乘積。在高速電機的應(yīng)用中 ,角接觸球軸承用得比較廣泛 ,因為在高頻 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。在實際運用中 ,磁軸承電機存在著如下問題 : ①輸出功率難以進一步提高。②磁軸承需要一定數(shù)量的勵磁線圈、變換器和造價不菲的傳感器。 由于存在漏油問題和損耗較大 ,因此逐漸被先進的氣懸浮和高頻交流電動機設(shè)計 9 磁懸浮技術(shù)所代替 。 與磁懸浮軸承比 ,空氣軸承的體積較小 ,控制簡單 。 高頻交流電動機設(shè)計 10 第 4 章 10KW 高頻交流異步電動機電磁計算 已知數(shù)據(jù)： 輸出功率 kwp 101? 額定電壓 VU 3801 ? 相數(shù) 3?m 頻率 Hzf 100? 極數(shù) 2?p B級絕 緣，連續(xù)運行 額定數(shù)據(jù)和主要尺寸： 1. 額定功率： KWPn 10? 2. 額定電壓： VUU NN 380?? ? （ ? 接） 3. 功電流： AAmUPI NNkW 10103 ????? ? 4. 效率： 39。39。 ?pa ， 39。 ?? ，假定 min145039。39。39。1 mmAJ ? ，計算導(dǎo)線并繞根數(shù)和每根導(dǎo)線截面積的乘積。11 mmJa IAN ci ???? 高頻交流電動機設(shè)計 13 其中定子電流初步估計值 AIIKW os 39。1 mmAc ? ， 239。1139。39。 ???? ?? 端環(huán)所需面積 2239。39。1 ????? ?? 23. 每極磁通 初設(shè) 39。 11 mmhlkA jiFej ?? ??????? 232339。1 (212 )( ??? ???????? ?? mmp hDL jj 33339。 1111 ??????? 339。 需要進行高頻高速電機功率變換和控制系統(tǒng)變流器的拓撲結(jié)構(gòu)與控制策略研究 。本次畢業(yè)設(shè)計的課題涉及的知識 面非常廣，其中有許多以前不曾接觸過的東西。 我認為畢業(yè)設(shè)計的整個過程就是一個發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過程，整個畢業(yè)設(shè)計是在不斷解決問題的過程中一步一步向前推進。 本次畢業(yè)設(shè)計的各項指標基本上符合要求，但仍存在著不少問