梁得亮,褚?guī)浘?賈少鋒,郁亞南,梁陽(yáng)

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,710049,西安)

高速電機(jī)通常指轉(zhuǎn)速超過(guò)10×103r/min或難度系數(shù)(轉(zhuǎn)速和功率平方根的乘積)超過(guò)1×105的電機(jī)[1]。近年來(lái),隨著高頻驅(qū)動(dòng)電源、高性能軟磁材料、永磁材料的迅猛發(fā)展以及高速軸承技術(shù)的革新,電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高速甚至超高速運(yùn)行。高速電機(jī)的優(yōu)勢(shì)更加突出:①功率密度大,可有效節(jié)約材料、減小體積、節(jié)省空間、減小質(zhì)量;②轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快;③可與負(fù)載直接相連,省去了傳動(dòng)裝置,可靠性高,系統(tǒng)效率高[2-4]?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn),高速電機(jī)在分布式發(fā)電系統(tǒng)、精密加工、飛輪儲(chǔ)能、半導(dǎo)體加工等領(lǐng)域[5-8]具有廣泛的應(yīng)用背景。

早在2006年,國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》和實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的國(guó)家行動(dòng)綱領(lǐng)《中國(guó)制造2025》均指出,國(guó)防工業(yè)、航空航天裝備、高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人以及節(jié)能與新能源汽車技術(shù)等為未來(lái)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。這些應(yīng)用領(lǐng)域通常要求驅(qū)動(dòng)部件具有體積小、質(zhì)量小、功率密度高等特性,而且同時(shí)能夠在高溫、低溫、潮濕、高壓等環(huán)境條件下安全運(yùn)行。高速電機(jī)能在實(shí)現(xiàn)功率最大化的同時(shí)最大限度地減小體積和質(zhì)量,這是決定其未來(lái)適用性的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。然而,電機(jī)材料的物理性能和電氣性能,如導(dǎo)體的電阻率、鐵芯的磁導(dǎo)率、永磁體的磁能積以及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度等,受溫度因素的影響,會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的電磁性能和可靠性發(fā)生變化。執(zhí)行機(jī)構(gòu)和功能部件對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力成為了限制極端環(huán)境探測(cè)開(kāi)發(fā)裝備研究的關(guān)鍵和核心。以往的設(shè)計(jì)和分析方法已經(jīng)難以滿足以上要求,高速電機(jī)出現(xiàn)了新的技術(shù)難題。

目前,針對(duì)高溫環(huán)境下高速永磁電機(jī)的分析與研究處于起步階段,相關(guān)理論和設(shè)計(jì)方法尚未形成完整體系。所以,本文在結(jié)合高溫電機(jī)與高速永磁電機(jī)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)之上,對(duì)高溫環(huán)境下高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和分析方法等關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)分析。主要圍繞定轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料溫度特性分析與選取、轉(zhuǎn)子支撐技術(shù)、繞組絕緣技術(shù)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)以及熱設(shè)計(jì)和熱管理技術(shù)幾方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述和探討,以期總結(jié)相關(guān)規(guī)律,為推動(dòng)高速永磁電機(jī)在極端環(huán)境下的工程應(yīng)用提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 電機(jī)溫度特性研究

高溫環(huán)境條件下,電機(jī)繞組銅的電阻率、電工鋼的磁導(dǎo)率、永磁體的剩磁以及結(jié)構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度等特性變化較大,對(duì)電機(jī)的輸出功率、電磁轉(zhuǎn)矩、各類損耗、永磁體退磁和負(fù)載特性等性能會(huì)造成不同程度的影響。釹鐵硼永磁同步電機(jī)在低溫下,帶載能力下降,高溫存在不可逆退磁隱患[9]。隨著溫度升高,電機(jī)的輸出功率受電阻和反電勢(shì)共同影響[10-11]。內(nèi)置式永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和紋波轉(zhuǎn)矩隨著溫度的增加逐漸下降而齒槽轉(zhuǎn)矩增加[12]。文獻(xiàn)[13]在考慮溫度升高的前提下,對(duì)電機(jī)持續(xù)運(yùn)行中的反電勢(shì)和控制電流的變化進(jìn)行了預(yù)測(cè),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[14]研究了永磁電機(jī)鐵損與溫度的關(guān)系。文獻(xiàn)[15]研究了運(yùn)行溫度對(duì)電機(jī)性能的影響。

由此可見(jiàn),了解并分析材料溫度特性以及溫度與電機(jī)輸出性能之間的關(guān)系特性是實(shí)現(xiàn)電機(jī)在高溫環(huán)境下可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)和首要條件。

1.2 高溫電機(jī)研究現(xiàn)狀

高溫電機(jī)(絕緣等級(jí)通常為H級(jí)及以上)的研究與發(fā)展是與耐高溫材料及其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展密切相關(guān)的。在地質(zhì)勘探和深空探測(cè)領(lǐng)域中,異步電機(jī)和永磁電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛,技術(shù)也最為成熟。隨著耐溫材料以及機(jī)械加工方法的發(fā)展,航空航天領(lǐng)域出現(xiàn)了耐溫460 ℃和500 ℃的永磁無(wú)刷直流電機(jī)。例如,美國(guó)的Honeybee Robotics公司和Firstmark Aerospace公司分別為金星表面探測(cè)器和航天工業(yè)研發(fā)了耐高溫?zé)o刷直流電機(jī),如圖1所示[16]。Liu等設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速為12×103r/min、效率為90%的永磁電機(jī),可在300 ℃下正常工作[17]。ABB公司推出了能夠在環(huán)境溫度90 ℃下平穩(wěn)運(yùn)行的耐高溫系列感應(yīng)電機(jī)[18]。

(a)耐溫460 ℃電機(jī)

國(guó)內(nèi)有關(guān)耐高溫永磁電機(jī)方面的研究起步較晚,但是在航空航天以及石油勘探領(lǐng)域已有相應(yīng)產(chǎn)品投入使用。例如:北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的舵機(jī)用永磁直流電動(dòng)機(jī),短時(shí)工作溫度可以達(dá)到250 ℃,如圖2所示[19];貴州航天林泉電機(jī)有限公司為嫦娥四號(hào)探測(cè)器研發(fā)了180～220 ℃高溫環(huán)境下的無(wú)刷直流永磁電機(jī)[20];沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)與遼河油田聯(lián)合開(kāi)發(fā)了耐溫200 ℃的高溫潛油電泵機(jī)組[21];中原油田設(shè)計(jì)了可在溫度150 ℃下長(zhǎng)期運(yùn)行的107系列耐高溫異步潛油電機(jī)[22]。

圖2 舵機(jī)裝配圖[19]Fig.2 Steering gear assembly diagram

由此可見(jiàn),國(guó)外在耐高溫電機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面技術(shù)較為成熟,小功率電機(jī)的耐溫等級(jí)達(dá)到了較高水平。國(guó)內(nèi)在溫度等級(jí)180 ℃以下的潛油電機(jī)領(lǐng)域,擁有成熟的設(shè)計(jì)方法和加工經(jīng)驗(yàn),并具有系列化產(chǎn)品。由于缺乏耐高溫絕緣材料及絕緣壽命預(yù)測(cè)的研究和高溫永磁材料的制作工藝與國(guó)外尚有較大差距,高溫電機(jī)耐溫等級(jí)的提升被限制。

1.3 高速電機(jī)研究現(xiàn)狀

高速電機(jī)的研究主要分為超高速化和大功率化兩個(gè)方面。在超高速方面,瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院先后實(shí)現(xiàn)了100 W、500×103r/min,1 kW、500×103r/min以及100 W、1 000×103r/min超高速永磁電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試[23]。Hong等研發(fā)了500 W、轉(zhuǎn)速400×103r/min的電動(dòng)-發(fā)電一體式微型渦輪發(fā)電機(jī)[24]。沈建新等推導(dǎo)了3 kW、100×103r/min永磁無(wú)刷電機(jī)氣隙磁場(chǎng)計(jì)算公式,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[25]。北京動(dòng)力機(jī)械研究所的趙建亭等對(duì)120×103r/min超高速電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了分析與試驗(yàn)驗(yàn)證[26]。

在大功率方面:美國(guó)FMC公司研發(fā)了高速直驅(qū)式發(fā)電機(jī)(1～2 MW、22.5×103r/min,8 MW、22.5×103r/min,12 MW、10×103r/min);英國(guó)Bowman電氣公司研制了用于蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組用的高速永磁發(fā)電機(jī),功率從20 kW到1.5 MW;ABB公司研制了40 kW、40×103r/min的高速永磁發(fā)電機(jī)[27]。國(guó)內(nèi)一些科研院所、大學(xué)以及部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司在國(guó)家及各級(jí)單位的推動(dòng)下也開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)和浙江大學(xué)共同承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“微型燃?xì)廨啓C(jī)-高速發(fā)電機(jī)分布式發(fā)電與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究”，研制成功75 kW、60×103r/min高速永磁電機(jī)系統(tǒng)[28];西安交通大學(xué)和中科院工程物理研究所等單位聯(lián)合研制了112 kW、45×103r/min微燃用高速永磁同步電機(jī),如圖3所示,電機(jī)軸承采用磁懸浮、混合式軸承、高速滾動(dòng)軸承加彈性阻尼支撐3種方案,定子采用油冷，轉(zhuǎn)子采用風(fēng)冷技術(shù)[29]。

圖3 112 kW、45×103 r/min 高速永磁同步電機(jī)[29]Fig.3 112 kW,45×103 r/min high-speed permanent magnet synchronous machine

由此可見(jiàn),無(wú)論是在超高速電機(jī)還是在大功率電機(jī)方面,國(guó)外對(duì)高速電機(jī)的研究時(shí)間相對(duì)較早,技術(shù)較為成熟,并開(kāi)始向系列化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。國(guó)內(nèi)在超高速與大功率高速電機(jī)方面的研究已經(jīng)取得了一定成果,但在100 kW等級(jí)(45×103r/min)、MW等級(jí)(15×103r/min)以上,大功率高速電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化才剛起步,與國(guó)外相比尚有一定的差距。

綜合上述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知,在極端環(huán)境條件下,驅(qū)動(dòng)電機(jī)以常規(guī)轉(zhuǎn)速為主,高速永磁電機(jī)的研究較少。最主要的原因在于高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)是基于電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流體場(chǎng)和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)等多物理場(chǎng)相互耦合的綜合迭代設(shè)計(jì)過(guò)程,設(shè)計(jì)難度系數(shù)較高。尤其在極端環(huán)境下,耐高溫絕緣材料、永磁材料的制備和加工工藝不成熟等問(wèn)題進(jìn)一步提升了電機(jī)設(shè)計(jì)難度。因此,研究高溫環(huán)境下高速永磁電機(jī)的機(jī)理和性能變化規(guī)律,形成完整的設(shè)計(jì)和分析方法,具有重要的意義和迫切的實(shí)際需求。

2 定轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇

2.1 定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括定子鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),是衡量電機(jī)性能的關(guān)鍵因素。進(jìn)行合理的定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),降低定子高頻損耗,提高定子散熱效率,是電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1.1 定子鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫高速永磁電機(jī)的定子鐵芯結(jié)構(gòu)類型與繞組電氣絕緣系統(tǒng)(EIS)的耐溫等級(jí)密切相關(guān)。工作溫度低于260 ℃時(shí),定子鐵芯可采用常規(guī)高速電機(jī)鐵芯結(jié)構(gòu),如圖4所示。

(a)多槽

工作溫度高于260 ℃以上時(shí),EIS物理特性發(fā)生變化,定子鐵芯需采用與高溫電機(jī)相似的T型結(jié)構(gòu)與繞組相匹配,如圖5所示[30]。表1為不同溫度等級(jí)下,定子鐵芯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其特點(diǎn)。

(a)定子結(jié)構(gòu)

表1 定子鐵芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2.1.2 繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)工作溫度低于260 ℃時(shí),高溫高速永磁電機(jī)的繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與高速電機(jī)相同,如正弦繞組、單層繞組、雙層繞組和其他結(jié)構(gòu)型式(如背繞式結(jié)構(gòu)和無(wú)槽繞組結(jié)構(gòu))。圖6為現(xiàn)有不同的高速電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)。

(a)常規(guī)繞組結(jié)構(gòu)[31]

除了以上幾種繞組類型之外,本課題組還提出了一種新型低諧波多層不等匝繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖7所示[34]。該結(jié)構(gòu)可以改善氣隙磁密波形,在降低諧波損耗和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的同時(shí)大幅提升繞組利用率。該種繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅適用于高溫高速永磁電機(jī)中,在常規(guī)電機(jī)中亦可應(yīng)用。

(a)定子結(jié)構(gòu)

工作溫度高于260 ℃時(shí),繞組需采用成型的基于無(wú)機(jī)絕緣的線圈制成集中繞組與定子齒貼合放置[35]。圖8為高溫?zé)o機(jī)絕緣線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。表2為不同溫度等級(jí)下,不同繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

圖8 高溫?zé)o機(jī)絕緣線圈[35]

表2 不同溫度等級(jí)下的繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)

綜合2.1小節(jié)內(nèi)容可見(jiàn),EIS的耐溫等級(jí)決定了定子鐵芯結(jié)構(gòu)以及繞組結(jié)構(gòu)的類型。本文對(duì)高溫高速電機(jī)可供采用的定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了歸納和分析,在設(shè)計(jì)之初,可以根據(jù)耐溫等級(jí)參照表1和表2進(jìn)行選擇。

本課題組在綜合分析高速電機(jī)與高溫電機(jī)定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)之后,提出了一種適用于寬溫度范圍的爪極型定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖9所示,并申請(qǐng)了相關(guān)專利。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單、加工成本低且繞組采用全局環(huán)形集中結(jié)構(gòu),無(wú)端部長(zhǎng)度,可以得到充分利用。

(a)環(huán)形繞組

2.2 轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮電磁和機(jī)械兩方面：①轉(zhuǎn)子要有足夠的空間放置永磁體,以獲得較大的輸出功率和平均轉(zhuǎn)矩；②高溫下轉(zhuǎn)子部件不會(huì)因熱膨脹導(dǎo)致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)生熱形變,動(dòng)平衡遭到破壞，并且轉(zhuǎn)子部件不會(huì)被高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力甩落或破壞。因此,高溫高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩類。

2.2.1 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

受硅鋼片強(qiáng)度和隔磁磁橋厚度的影響,內(nèi)置式轉(zhuǎn)子機(jī)械特性比較薄弱,不適合高速運(yùn)行場(chǎng)合[36-37]。早期內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)通常采用實(shí)心轉(zhuǎn)子或增加隔磁橋尺寸等方法改善高速旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械可靠性的問(wèn)題。例如:韓國(guó)的三星電子公司設(shè)計(jì)的8 kW、轉(zhuǎn)速40×103r/min的高速永磁電機(jī)采用多段、多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)滿足機(jī)械性能[38];羅茲理工大學(xué)對(duì)比分析了兩種耐高溫內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[39];國(guó)內(nèi)的東南大學(xué)設(shè)計(jì)了輻條式高速永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[40];文獻(xiàn)[41]研究了內(nèi)置式永磁電機(jī)加強(qiáng)筋數(shù)量和尺寸對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度以及電磁性能的影響。

以上設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法在一定程度上解決了高速旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子機(jī)械可靠性的問(wèn)題,但又同時(shí)導(dǎo)致漏磁增加、轉(zhuǎn)子渦流損耗增大、制造工藝復(fù)雜、成本增加等問(wèn)題[42]。當(dāng)電機(jī)線速度達(dá)到200 m/s以上時(shí),必須采用特殊的高強(qiáng)度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子才能保證轉(zhuǎn)子可靠運(yùn)行。

2.2.2 表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表貼式永磁體配合高強(qiáng)度護(hù)套和實(shí)心轉(zhuǎn)軸可以使電機(jī)突破臨界轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)行,是應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)型式。然而,隨著轉(zhuǎn)速的提升,轉(zhuǎn)子表面散熱面積逐漸減小,離心力將以轉(zhuǎn)速的二次方增大。此外,為了防止漏磁,護(hù)套通常采用非導(dǎo)磁金屬或非金屬材料。非金屬材料不產(chǎn)生渦流損耗,但是散熱困難;金屬材料有利于散熱但是會(huì)產(chǎn)生較大的渦流損耗,兩者均會(huì)引起轉(zhuǎn)子溫升增加。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和損耗計(jì)算進(jìn)行了大量研究。

(1)轉(zhuǎn)子損耗的分析計(jì)算。Kolondzovski等[43]研究了采用不同轉(zhuǎn)子護(hù)套材料時(shí)的轉(zhuǎn)子損耗和對(duì)轉(zhuǎn)子溫升的影響。Wang等[44]研究了高速電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套周向開(kāi)槽對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗及溫升的影響,結(jié)果表明,在護(hù)套上開(kāi)周向淺槽可以有效減小轉(zhuǎn)子渦流損耗、降低轉(zhuǎn)子溫升。文獻(xiàn)[45]研究了不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。文獻(xiàn)[46-48]通過(guò)在永磁體和護(hù)套之間增加高電導(dǎo)率的銅屏蔽環(huán)來(lái)降低轉(zhuǎn)子渦流損耗。文獻(xiàn)[49]推導(dǎo)了帶銅屏蔽環(huán)的轉(zhuǎn)子渦流損耗的解析公式,對(duì)銅環(huán)厚度和轉(zhuǎn)子渦流損耗的關(guān)系進(jìn)行了研究。圖10為浙江大學(xué)沈建新教授課題組研制的帶銅屏蔽層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖10 帶銅屏蔽層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[49]Fig.10 Rotor structure with copper shield

(2)轉(zhuǎn)子機(jī)械應(yīng)力的計(jì)算。代爾夫特理工大學(xué)的Borisavljevic等[50]對(duì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子部件碳纖維護(hù)套的徑向和周向應(yīng)力進(jìn)行了理論推導(dǎo)。Yon等[51]對(duì)半滲透材料與碳纖維材料在提高永磁體強(qiáng)度方面進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[52]基于彈性力學(xué)基本理論,對(duì)圓環(huán)形永磁體合金護(hù)套的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析分析,并給出了轉(zhuǎn)子護(hù)套發(fā)生脫落的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[53]建立了碳纖維護(hù)套轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的解析模型,通過(guò)二維有限元方法對(duì)解析模型進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[54]針對(duì)一臺(tái)100 kW、60×103r/min、采用碳纖維和高強(qiáng)度合金兩種護(hù)套的表貼式高速永磁電機(jī)應(yīng)力分布分別進(jìn)行了解析推導(dǎo),并通過(guò)有限元法驗(yàn)證了電機(jī)冷態(tài)和熱態(tài)運(yùn)行情況下應(yīng)力分布。

(3)溫度對(duì)轉(zhuǎn)子部件機(jī)械應(yīng)力的影響。文獻(xiàn)[55]對(duì)315 kW、18×103r/min的永磁電機(jī),分別計(jì)算了靜態(tài)、常溫環(huán)境和熱態(tài)環(huán)境下永磁體和護(hù)套的周向和米澤斯應(yīng)力,得出了溫度與應(yīng)力的關(guān)系。文獻(xiàn)[56]在常溫和熱態(tài)運(yùn)行下,對(duì)一臺(tái)12 MW、18×103r/min的船用高速永磁同步電機(jī)永磁體的徑向及周向應(yīng)力和護(hù)套的米澤斯應(yīng)力進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子應(yīng)力隨溫度的升高發(fā)生顯著的變化。文獻(xiàn)[57]對(duì)一臺(tái)100 kW、50×103r/min的永磁同步電機(jī),分析了溫度對(duì)永磁體和護(hù)套徑向、周向和米澤斯應(yīng)力的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著溫度的升高,永磁體的徑向應(yīng)力變化緩慢,周向應(yīng)力和米澤斯應(yīng)力緩慢增加;護(hù)套的徑向應(yīng)力變化緩慢,周向和米澤斯應(yīng)力顯著增加。文獻(xiàn)[58]以一臺(tái)200 kW、40×103r/min的永磁同步電機(jī)為例,采用有限元法計(jì)算并分析了鎳基合金(Inconel 718)、鈦合金(Ti6Al4V)和碳纖維(CFC)這3種不同材料的護(hù)套,得出轉(zhuǎn)速和溫度對(duì)護(hù)套與永磁體間的接觸壓力和護(hù)套的最大應(yīng)力的敏感性。

綜合2.2小節(jié)內(nèi)容可知,高溫高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)電機(jī)運(yùn)行速度和設(shè)計(jì)要求,并且應(yīng)綜合考慮材料的熱應(yīng)力和熱變形的影響,確保轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)具有較好的高溫力學(xué)性能和磁性能。圖11為現(xiàn)有不同類型的高速電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

(a)環(huán)形永磁體

2.3 定轉(zhuǎn)子材料選擇

2.3.1 定子材料選擇

(1)定子鐵芯材料選擇。常溫環(huán)境下,Fe-Si系合金軟磁材料價(jià)格低廉應(yīng)用較為廣泛。高速永磁電機(jī)中,為了降低鐵芯損耗,多采用0.2 mm及以下無(wú)取向硅鋼片,如武鋼的WTG-200、WTG-150以及寶鋼的B20AT1200和B20AT1500等。隨著新型電工材料的發(fā)展和工藝技術(shù)的提升,非晶合金材料(如圖12所示)[59]和SMC(軟磁復(fù)合材料)[60-62]等一批新型軟磁材料在高速永磁電機(jī)中的應(yīng)用逐漸增多,不同材料的鐵芯結(jié)構(gòu)如圖12所示。非晶合金帶材的厚度僅有0.025 mm,在高頻電機(jī)中可大幅度降低定子鐵芯損耗。SMC是一種粉末材料,該粉末是表面包裹著絕緣、粒徑為0.1 mm的鐵粉。這種材料具備各向同性磁特性,具有低渦流損耗、結(jié)構(gòu)形狀多樣、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)。

(a)軸向非晶合金鐵芯[59]

高溫環(huán)境下,軟磁材料的電氣性能會(huì)發(fā)生明顯變化,進(jìn)而影響電機(jī)輸出性能。因此,深入了解軟磁材料的溫度特性變化對(duì)高溫環(huán)境下高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)是必要的。目前,只有部分院校進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)分析。例如:Takahashi等對(duì)SPCC、SS400、硅含量為6.5%的硅鋼片、35A250等軟磁材料的磁化曲線(B-H)、磁導(dǎo)率曲線(μs-Bm)和鐵損耗進(jìn)行了高溫試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度升高到500 ℃以上時(shí),B-H曲線、磁導(dǎo)率會(huì)發(fā)生劇烈變化,鐵耗也逐漸開(kāi)始下降[63]。圖13為SPCC高溫磁性能。Ababsa等設(shè)計(jì)了一種適用于600 ℃下的愛(ài)潑斯坦方圈,并分析了溫度與鐵板厚度對(duì)功率損耗的影響[64]。

(a)不同溫度下的B-H曲線

以上文獻(xiàn)對(duì)軟磁材料高溫磁特性的研究主要集中于常規(guī)電機(jī),且試驗(yàn)樣品較少。關(guān)于高速永磁電機(jī)軟磁材料高溫磁特性的研究以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分缺乏,給高溫高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)研究工作帶來(lái)了極大的不便和困難。

因此,本課題組對(duì)高速永磁電機(jī)中幾種不同類型的軟磁材料進(jìn)行了高溫磁性能測(cè)試和分析[65]。試驗(yàn)主要測(cè)量的樣品參數(shù)如表3所示。樣品除SMC外由多片樣環(huán)薄片堆疊而成,各薄片間添加耐高溫絕緣薄膜,之后在外表纏繞耐高溫絕緣薄膜。SMC材料直接用耐高溫絕緣材料纏繞。圖14和圖15分別為軟磁材料測(cè)試樣品和磁性材料測(cè)試系統(tǒng)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由溫度補(bǔ)償裝置、磁導(dǎo)率測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)收集以及軟件計(jì)算分析系統(tǒng)組成。

表3 測(cè)試樣環(huán)參數(shù)

(a)磁性材料

(a)磁性材料測(cè)試設(shè)備

測(cè)試之初,將待測(cè)樣品放入溫度補(bǔ)償裝置,并與磁性測(cè)量設(shè)備相連接。試驗(yàn)期間,通過(guò)調(diào)節(jié)溫度補(bǔ)償裝置使樣品的測(cè)試溫度由50 ℃開(kāi)始,直至絕緣材料的極限溫度400 ℃結(jié)束,溫度間隔為50 ℃,記錄磁性材料的高溫特性變化。

由于測(cè)試樣品種類較多,本文只列出了B20AT1500、1J22兩種軟磁材料的高溫磁特性曲線,表4為全部測(cè)試樣環(huán)的磁性能結(jié)果。圖16和圖17分別為1J22與B20AT1500在不同溫度下的B-H曲線和μ-H曲線,圖18為測(cè)試后的樣品。

表4 不同溫度下的樣環(huán)飽和磁密

(a)B-H曲線

(a)B-H曲線

(a)500 ℃

從表4可以看出:隨著溫度升高,測(cè)試樣品的磁密逐漸下降,其中以35W230下降趨勢(shì)最為明顯;從μ-H曲線可以看出,當(dāng)H處于1 000～1 500 A/m時(shí),磁導(dǎo)率下降較為明顯,之后下降趨勢(shì)基本保持不變。從B-H曲線可以看出,在400 ℃時(shí),1J22的B-H曲線拐點(diǎn)處的磁密接近2.0 T,磁性能最佳,最適宜用于工作溫度較高的領(lǐng)域。在500 ℃時(shí),樣品的絕緣材料已經(jīng)不能滿足絕緣性能的要求。

(2)絕緣材料選擇。電氣絕緣系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境會(huì)引起物理特性發(fā)生變化,加速絕緣老化,絕緣強(qiáng)度受損,最終導(dǎo)致?lián)舸?。為確保電機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,EIS必須具備良好的耐熱性、耐腐蝕性和工藝性。EIS按化學(xué)性質(zhì)不同主要分為有機(jī)EIS和無(wú)機(jī)EIS。有機(jī)EIS以聚酰亞胺(PI)聚合物應(yīng)用最為廣泛,其具有介電性能強(qiáng)、力學(xué)性能好、耐老化性能強(qiáng)、耐高低溫性能優(yōu)異等特點(diǎn),長(zhǎng)期使用溫度范圍達(dá)200～260 ℃,短時(shí)工作溫度達(dá)300 ℃。PI聚合物可以薄膜形式繞包在電纜或電機(jī)繞組上,也可以漆的形式用在電機(jī)繞組的絕緣浸漬漆、電機(jī)內(nèi)導(dǎo)線的絕緣面漆和高壓大型電機(jī)的槽部、端部的防暈漆。表5為不同厚度和層數(shù)的PI薄膜在300 ℃下的熱老化數(shù)據(jù)。表6為不同規(guī)格PI漆包線在300 ℃下的熱老化數(shù)據(jù)[66]。

表5 PI漆包線300 ℃時(shí)不同老化時(shí)間的漆膜電氣強(qiáng)度

表6 PI薄膜300 ℃時(shí)不同老化時(shí)間的電氣強(qiáng)度

從表5可知,PI薄膜的電氣強(qiáng)度隨著薄膜厚度和層數(shù)的增加而增大。采用多層和較厚的PI薄膜可以有效提高電機(jī)定子繞組及定子槽的絕緣強(qiáng)度。從表6可以看出,導(dǎo)線線徑粗,漆膜厚度大,則熱氧化性能好。

在環(huán)境溫度較高、條件比較惡劣的一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合(如深海、深空、核電高溫氣冷堆以及石油井下作業(yè)等)下,要求電機(jī)能在300 ℃甚至更高的環(huán)境中持續(xù)工作,有機(jī)EIS已經(jīng)不能滿足使用要求,以陶瓷、玻璃纖維為主的無(wú)機(jī)EIS成為高溫環(huán)境絕緣材料的最佳替代品。玻璃纖維絕緣層厚度大,100～200 μm,不適用于高功率密度電機(jī)。陶瓷絕緣層厚度小,10～12 μm,耐熱性及耐超低溫、耐腐蝕性、抗老化性更佳,在無(wú)機(jī)EIS中應(yīng)用最為廣泛。

早在1983年,日本便有了陶瓷絕緣電磁線,并應(yīng)用于托克馬克裝置的探頭。之后,美國(guó)Phelps Dodge公司制備了單層、雙層、三層高溫絕緣電磁線,均獲得了應(yīng)用[67]。Jumonji等在導(dǎo)體材料表面覆蓋陶瓷層,制備了陶瓷絕緣電磁線,能夠在500 ℃以下長(zhǎng)期使用[68]。圖19為陶瓷絕緣銅導(dǎo)線截面,表面由鎳和陶瓷涂層構(gòu)成,鎳材料可以防止銅導(dǎo)線氧化以及陶瓷化學(xué)結(jié)構(gòu)中銅離子和氧離子之間的化學(xué)反應(yīng)[69-70]。在電機(jī)繞組中,羅茲理工大學(xué)的Lefik等利用無(wú)機(jī)EIS研究了高溫永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩和損耗[71]。Cozonac等從絕緣電阻、電容和電壓強(qiáng)度等方面研究了陶瓷絕緣線(CIW)的介電性能,為高溫電機(jī)繞組的制造提供了依據(jù)[72]。

圖19 陶瓷絕緣鍍鎳銅導(dǎo)線[70]Fig.19 Ceramic insulated nickel-plated copper wire

目前,陶瓷絕緣材料仍有諸多缺點(diǎn),如彎曲半徑小、擊穿電壓較低、脆性高等,需要進(jìn)一步改進(jìn)。但是,在高溫、腐蝕以及輻射等惡劣環(huán)境中,陶瓷絕緣線是理想的材料,使用時(shí)只需針對(duì)不同的電機(jī)繞組采用不同的灌封技術(shù)即可滿足應(yīng)用要求。

2.3.2 轉(zhuǎn)子材料選擇

(1)護(hù)套、轉(zhuǎn)軸材料選擇。護(hù)套和轉(zhuǎn)軸起著避免永磁體發(fā)生形變、促使轉(zhuǎn)子部件長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的作用。表貼式電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套常用的材料主要有高強(qiáng)度復(fù)合材料(如凱夫拉纖維、碳纖維、玻璃纖維等)和高強(qiáng)度特種合金(如鎳合金和鈦合金等)。高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料強(qiáng)度和電阻率很高,能夠承受更高的轉(zhuǎn)速,且渦流損耗低，但是其熱導(dǎo)率較低不利于永磁體散熱。高強(qiáng)度合金材料的散熱能力、溫度穩(wěn)定性以及剛度均較好，但是電導(dǎo)率較大會(huì)產(chǎn)生較大的渦流損耗。圖20為兩種不同護(hù)套材料的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。表7為不同護(hù)套材料的參數(shù)比較。

(a)碳纖維保護(hù)套

(b)金屬保護(hù)套

表7 不同護(hù)套材料的參數(shù)

轉(zhuǎn)軸作為電機(jī)主要受力載體,除了要考慮高溫環(huán)境下材料熱膨脹導(dǎo)致熱變形外,還需具備一定的高溫磁性能,提升電機(jī)輸出能力。文獻(xiàn)[73]列出了高溫環(huán)境下轉(zhuǎn)軸可選用的3種材料:①沉淀硬化型高溫轉(zhuǎn)子材料;②彌散硬化型高溫轉(zhuǎn)子材料;③纖維強(qiáng)化型高溫轉(zhuǎn)子材料。

(2)永磁體材料選擇。高溫高速永磁電機(jī)永磁材料需要有良好的磁性能,同時(shí)還需有較好的熱穩(wěn)定性和耐高溫能力。目前,NdFeB和SmCo永磁材料在高速永磁電機(jī)中的應(yīng)用范圍較廣。表8為幾種規(guī)格永磁材料磁性能參數(shù)比較?？梢钥闯?NdFeB永磁材料的居里溫度較低,永磁材料性能更容易受環(huán)境溫度影響,不適用于高溫場(chǎng)合。相比之下,釤鈷具有居里溫度更高、溫度系數(shù)更低等特點(diǎn),更適宜于環(huán)境溫度較高、轉(zhuǎn)子散熱困難的工作場(chǎng)合。目前,釤鈷永磁體的工作溫度已經(jīng)可以達(dá)到500 ℃以上,2∶17型Sm2Co17永磁材料的最大磁能積超過(guò)了262.7×103J/m3。

表8 不同永磁材料的性能參數(shù)

3 轉(zhuǎn)子支撐技術(shù)研究

高速電機(jī)中主要采用的軸承分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式軸承主要包括高速滾珠軸承和滑動(dòng)軸承,非接觸式軸承主要包括空氣軸承和磁懸浮軸承。

高速滾珠軸承成本低、可靠性高,在高速電機(jī)中應(yīng)用比較廣泛。然而,在超高速運(yùn)行過(guò)程中,鋼性滾珠軸承會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑失效、磨損失效和電磁腐蝕,導(dǎo)致使用壽命下降,可靠性降低。陶瓷材料具有硬度高、密度低、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)率小、自潤(rùn)滑能力好、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此,采用陶瓷材料的高速超精密混合陶瓷軸承的出現(xiàn)成為提高滾珠軸承性能和可靠性的新發(fā)展途徑。圖21為兩種類型陶瓷軸承。表9為陶瓷軸承與鋼性軸承參數(shù)的比較。

(a)全陶瓷軸承

表9 兩種類型滾動(dòng)軸承的性能參數(shù)

除了考慮機(jī)械特性之外,潤(rùn)滑系統(tǒng)是決定接觸式軸承長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的另一關(guān)鍵因素。圖22為高速超精密混合陶瓷軸承常用潤(rùn)滑脂的工作溫度,綠色區(qū)域是不同潤(rùn)滑脂允許的長(zhǎng)期工作溫度范圍[74]?？梢钥闯?潤(rùn)滑脂長(zhǎng)期最高工作溫度一般不超過(guò)150 ℃。在橙色區(qū)域的溫度內(nèi),工作不能超過(guò)1 h。高溫高速旋轉(zhuǎn)時(shí),潤(rùn)滑脂容易產(chǎn)生氧化物,導(dǎo)致潤(rùn)滑不均勻,使得高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子失穩(wěn),進(jìn)而產(chǎn)生很大的噪聲且摩擦磨損急劇增大。

圖22 混合陶瓷軸承潤(rùn)滑脂的工作溫度[74]Fig.22 The operating temperature of hybrid ceramic bearing grease

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)是另一種廣泛應(yīng)用于高速滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑方式,其通過(guò)高速壓縮空氣將潤(rùn)滑油以霧狀形式輸送到潤(rùn)滑點(diǎn),以此對(duì)軸承進(jìn)行持續(xù)有效潤(rùn)滑,且高速流動(dòng)的空氣還可對(duì)軸承進(jìn)行一定冷卻,降低軸承溫度。

彈性箔片氣體軸承采用柔性的金屬箔片作為支承元件,利用動(dòng)壓氣體作為潤(rùn)滑劑,在高溫、高速方面和其他軸承相比,具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)MITI公司研發(fā)的超高速微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為180×103r/min,峰值功率為8 kW。該電機(jī)全部采用彈性箔片氣體軸承支承,其中徑向軸承支承處的轉(zhuǎn)子直徑為15 mm,寬徑比為0.5。在支承燃?xì)鉁u輪和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的軸承處,轉(zhuǎn)子溫度高達(dá)588～700 ℃。超高速微型渦輪發(fā)電機(jī)如圖23所示。

國(guó)內(nèi)也有一些單位相繼開(kāi)展了彈性箔片氣體軸承的研究工作,北京航空航天大學(xué)對(duì)高速電機(jī)的空氣軸承進(jìn)行了研究[75]。西安交通大學(xué)在彈性箔片氣體軸承領(lǐng)域進(jìn)行了長(zhǎng)期的技術(shù)積累,先后承擔(dān)了“十五”和“十一五”期間國(guó)家“863項(xiàng)目”“100 kW級(jí)微型燃?xì)廨啓C(jī)及其功能系統(tǒng)”的高速電機(jī)和彈性箔片氣體軸承的研制任務(wù)。圖24是研制的彈性箔片電磁混合軸承支承的高速發(fā)電機(jī),電機(jī)功率為100 kW,轉(zhuǎn)子質(zhì)量為14.5 kg,最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為40×103r/min。此外,還完成了彈性箔片氣體軸承支承的10 kW、100～120 103r/min的高速電機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn),最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為96×103r/min。

(a)渦輪發(fā)電機(jī)

圖24 彈性箔片/電磁混合支撐高速發(fā)電機(jī)Fig.24 Elastic foil/electromagnetic hybrid support for high-speed generator

磁懸浮軸承可分為主動(dòng)磁軸承(active magnetic bearing,AMB)和被動(dòng)軸承兩種。主動(dòng)磁軸承需要一定的尺寸空間安裝軸承的定子和轉(zhuǎn)子,且需要安裝位移傳感器進(jìn)行主動(dòng)控制。常用的主動(dòng)式磁懸浮軸承系統(tǒng)由繞組、位置傳感器、功率系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。磁軸承無(wú)摩擦磨損、可支承轉(zhuǎn)速高、無(wú)需潤(rùn)滑油、壽命長(zhǎng)。然而,由于體積較大、控制復(fù)雜,且需要電力、傳感器等的支持,致使整個(gè)系統(tǒng)成本較高。

4 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的任務(wù)是研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)力學(xué)特性及其各種動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象[76],確保電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)子和機(jī)殼的振動(dòng)在安全范圍內(nèi)。研究?jī)?nèi)容主要包括系統(tǒng)模態(tài)、不平衡響應(yīng)和穩(wěn)定性等[77]。

通常,采用滾動(dòng)軸承支承的轉(zhuǎn)子,工作轉(zhuǎn)速范圍均設(shè)計(jì)在一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速以下。由于滾動(dòng)軸承的剛度很高,在設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能提升轉(zhuǎn)子的彎曲剛度,從而提高其一階臨界轉(zhuǎn)速。采用彈性箔片氣體軸承支承的轉(zhuǎn)子,軸承的剛度要低很多,對(duì)于同樣的轉(zhuǎn)子,其一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速要高的多,但會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子剛體模態(tài)的臨界轉(zhuǎn)速。在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子上的裝配件會(huì)受到離心力的作用產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力,可能使裝配結(jié)構(gòu)失效或部件損壞。

高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)比較復(fù)雜,需要對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,找出轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于簡(jiǎn)化模型的合理性。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是高速永磁電機(jī)的核心部件,在運(yùn)行過(guò)程中主要承受重力、離心力、軸承反力等機(jī)械力和各種電磁力的作用。高溫環(huán)境下,材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化而增大或減小,轉(zhuǎn)子還會(huì)受到熱應(yīng)力的作用。在轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí),必須進(jìn)行準(zhǔn)確的強(qiáng)度計(jì)算和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析,確保在高溫環(huán)境下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)達(dá)到要求的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)特性,在高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 熱設(shè)計(jì)與冷卻系統(tǒng)研究

損耗抑制是高速永磁電機(jī)熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前,采用的一些方法主要有:使用電磁性能更好的鐵芯材料,或者采用鎳鐵、非晶合金、硅鋼定子鐵芯,繞組線圈采用Litz導(dǎo)線;在永磁體和護(hù)套之間放置銅屏蔽,減少轉(zhuǎn)子渦流損耗;將高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套開(kāi)槽、永磁體周向或軸向分段并鍍銅,以此來(lái)降低渦流損耗;采用不同的功率變換器拓?fù)?、最佳的脈寬調(diào)制及有效的高速永磁電機(jī)控制策略。

熱分析和冷卻方式是高速永磁電機(jī)熱管理的核心。關(guān)于高速永磁電機(jī)的熱分析方法主要是基于電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的分析,獲得溫度分布及散熱方式[78-79],而基于多物理場(chǎng)的耦合分析以及多學(xué)科的設(shè)計(jì)研究是一種趨勢(shì)[80-81]。高速永磁電機(jī)定子通常采用的冷卻方式有空氣冷卻、定子外側(cè)水冷、定子密閉強(qiáng)油冷卻等。采用空氣冷卻結(jié)構(gòu)時(shí),電機(jī)一般為開(kāi)啟式結(jié)構(gòu),電機(jī)通過(guò)支撐板筋固定在進(jìn)氣通道內(nèi),空氣吹拂電機(jī)外機(jī)殼,并穿過(guò)電機(jī)氣隙直接冷卻定子繞組端部、轉(zhuǎn)子和定子鐵芯。水冷系統(tǒng)一般是在定子鐵芯外側(cè)設(shè)置水道,由循環(huán)的水路將定子熱量帶走。在定子密閉強(qiáng)油冷卻系統(tǒng)中,冷卻介質(zhì)直接作用于電機(jī)定子側(cè)各組件。圖25為定子機(jī)殼的不同冷卻通道結(jié)構(gòu)。

(a)軸向Z字型通道

(b)周向通道

(c)螺旋形通道

作者所在課題組在總結(jié)現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,研發(fā)了一種定轉(zhuǎn)子自循環(huán)一體式冷卻系統(tǒng),如圖26和圖27所示。并且,基于流體力學(xué)、傳熱學(xué)建立了高速永磁電機(jī)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合模型,計(jì)算和分析了電機(jī)的溫度、流體耦合場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了高速永磁電機(jī)電磁、溫度和流場(chǎng)的耦合分析[82]。

圖26 自循環(huán)一體化冷卻結(jié)構(gòu)[82]Fig.26 Self-circulating integrated cooling structure

圖27 冷卻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[82]Fig.27 Cooling rotor structure

6 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顟B(tài)

高速永磁電機(jī)通常采用高頻變頻器供電,其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)往往具有以下特點(diǎn):①高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率高,而功率器件的開(kāi)關(guān)頻率有限,因此電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)載波比較低,導(dǎo)致定子電流諧波含量增加;②高速永磁電機(jī)繞組電感較小,由PWM調(diào)制出的方波電壓會(huì)產(chǎn)生較大的電流紋波,導(dǎo)致定子電流諧波含量增加,尤其在空載狀態(tài)下更為明顯;③為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效控制,需要實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)子位置和速度,在高速甚至超高速情況下,難以通過(guò)安裝傳感器可靠精確的檢測(cè)其轉(zhuǎn)子信息,且加裝位置傳感器會(huì)增加系統(tǒng)體積和成本,降低系統(tǒng)可靠性。因此,抑制電流諧波含量、獲取準(zhǔn)確轉(zhuǎn)子位置信息、確保電機(jī)可靠穩(wěn)定運(yùn)行成為了高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的關(guān)鍵問(wèn)題。

在電流諧波抑制方面,加入LC濾波器是目前抑制逆變器產(chǎn)生時(shí)間諧波的主要方法,其擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[83]提出了一種模型預(yù)測(cè)控制的LCL逆變器控制方法;文獻(xiàn)[84]提出了一種基于可調(diào)電感的可調(diào)式逆變器輸出濾波器;文獻(xiàn)[85]研制了輸出1.4×103Hz、1 MW的三電平高速電機(jī)大功率驅(qū)動(dòng)器,采用SiC和Si器件的混合拓?fù)?滿足飛機(jī)混合電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的需求;文獻(xiàn)[86]針對(duì)碳化硅器件易產(chǎn)生過(guò)電壓的問(wèn)題,提出了一種RL濾波器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在無(wú)位置控制技術(shù)方面,主要基于反電動(dòng)勢(shì)獲取轉(zhuǎn)子位置信息。常用的方法有磁鏈位置估計(jì)法、模型參考位置估計(jì)法、卡爾曼濾波器位置估計(jì)法、智能控制方法和狀態(tài)觀測(cè)器的位置估計(jì)法。根據(jù)觀測(cè)器不同,又有許多不同的觀測(cè)方法,比如滑模觀測(cè)器和龍伯格觀測(cè)器等。

高溫環(huán)境條件下,高速永磁電機(jī)的反電勢(shì)、繞組磁鏈和電感發(fā)生改變,使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略受到影響。此外,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均由電子元器件構(gòu)成,元器件材料溫度特性的變化會(huì)使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制性能以及可靠性受到影響。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和分析需結(jié)合電機(jī)的電磁參數(shù)和元器件的溫度特性,才能充分考慮環(huán)境對(duì)電機(jī)系統(tǒng)特性的影響,提高電機(jī)綜合控制品質(zhì)。文獻(xiàn)[87-89]從應(yīng)用的角度分析了元器件參數(shù)與環(huán)境的關(guān)系特性,并研制出了耐特殊環(huán)境的器件;文獻(xiàn)[90]分析了電容器壽命與溫升之間的關(guān)系特性;文獻(xiàn)[91]提出了一種復(fù)合控制策略,在高溫環(huán)境中具有較好的抗擾動(dòng)和控制特性;文獻(xiàn)[92]對(duì)部分元器件進(jìn)行了高溫測(cè)試,并根據(jù)測(cè)量結(jié)果和仿真模型得到了高溫下永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常工作的參數(shù)值的選取范圍。

總體上,國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫條件下驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究主要針對(duì)某一特定環(huán)境和特殊用途,大范圍環(huán)境參數(shù)下的特性研究較少。在復(fù)雜的環(huán)境條件下,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)面臨諸多因素干擾。對(duì)極端環(huán)境下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性進(jìn)行深入和全面分析,提升其動(dòng)態(tài)性、抗擾性和穩(wěn)定性,形成理論體系,具有重要的意義。

7 結(jié) 論

國(guó)內(nèi)外發(fā)展和研究現(xiàn)狀表明,針對(duì)高溫環(huán)境下高速和超高速永磁電機(jī)的研究與應(yīng)用較少,有關(guān)設(shè)計(jì)與分析方面存在諸多問(wèn)題亟待解決。本文闡述了以下5個(gè)問(wèn)題。

(1)磁性材料。軟磁材料和永磁材料的溫度特性是與溫度相關(guān)的復(fù)雜函數(shù),是制約高溫條件下高速永磁電機(jī)的關(guān)鍵因素,測(cè)試并建立軟磁材料溫度特性相關(guān)數(shù)據(jù)及理論,提升磁性材料高溫的磁性能,需要繼續(xù)展開(kāi)深入的研究。

(2)定轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文介紹并分析了不同溫度下高速永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型和特點(diǎn)。由于高溫環(huán)境的因素,開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、安裝方便、性能優(yōu)異的新型定轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是未來(lái)高溫高速永磁電機(jī)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

(3)損耗計(jì)算。溫度導(dǎo)致磁性材料磁性能變化,進(jìn)而影響電機(jī)損耗。建立高溫環(huán)境下高速電機(jī)定轉(zhuǎn)子損耗的理論分析方法、計(jì)算模型以及試驗(yàn)驗(yàn)證等具有重要意義。

(4)熱管理與冷卻系統(tǒng)。損耗的計(jì)算和抑制是高速永磁電機(jī)熱設(shè)計(jì)和熱管理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。在高溫環(huán)境下應(yīng)用時(shí),電機(jī)散熱與冷卻系統(tǒng)是提升電機(jī)功率密度的重要因素。改善電機(jī)冷卻方式,對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行直接冷卻,提升電機(jī)整體散熱,還有待進(jìn)一步研究。

(5)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。高溫環(huán)境條件下,受電機(jī)參數(shù)和元器件材料特性的影響,控制系統(tǒng)的可靠性和控制性能受到擾動(dòng)。研究分析元器件溫度特性,提升驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的抗擾性,將成為高溫高速永磁電機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

綜上所述,深海、深空、極地資源探索和國(guó)防工業(yè)的快速發(fā)展,給未來(lái)高速永磁電機(jī)的應(yīng)用提供了廣闊前景,又帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。極端環(huán)境下電機(jī)系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行是至關(guān)重要的核心問(wèn)題。未來(lái),高溫高速永磁電機(jī)的主要研究和發(fā)展方向?yàn)?高性能耐溫材料、新工藝方法、新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電機(jī)上的應(yīng)用;基于溫度特性的損耗分析計(jì)算方法;耐高溫絕緣系統(tǒng);基于溫度特性的轉(zhuǎn)子支撐技術(shù)等。因此,探索高溫環(huán)境下高速永磁電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與技術(shù)準(zhǔn)則,總結(jié)相關(guān)規(guī)律,推動(dòng)高速永磁電機(jī)在極端環(huán)境下的應(yīng)用范圍,具有深遠(yuǎn)的意義。