高速电机调研.pdf

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1、20152015 年高速电机行业市场发展分析年高速电机行业市场发展分析高速电机通常是指转速超过10000r/min 的电机。它们具有以下优点：一是由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于功率普通的电机，可以有效的节约材料。二是可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小。三是由于高速电机转动惯量小，所以动态响应快。随着我国工业持续快速发展,资源和环境开始约束工业化进程,高耗能、高排放的工业发展模式已经难以为继,我国的工业增长方式向资源节约型和生态环保型转变。受国际金融危机影响,我国经济增速放缓,客观上为我国工业加速向新型工业化转型提供了较好的机遇。我国工业的结构调整、产业升级、

2、节能降耗带来的新型工业化建设项目需要大量与之相适应的效率高、单位容量大的电机进行配套,为电机行业提供了更广阔的发展空间。电机行业的兴起也引爆了资本市场。最近出炉的大洋电机等10 家电机企业的半年报显示，80%企业的净利润都是正增长的。除了老牌企业，越来越多的新进入者也想分一杯羹，上半年，传统汽车零部件企业纷纷以参股或收购的方式进入这个领域。快速放量的市场带动了新能源车零部件的生产，其中，以电机行业的表现最为抢眼。专家预测，按新能源汽车的产业规模测算，预计 2020 年，电机驱动系统的需求将达500 到 1000亿元。电机是新能源车最核心的部件之一，相当于传统汽车的发动机。高速永磁电机高速永磁电

3、机高速电机的研究目前正在成为国际电工领域的研究热点之一。由于转速高,电机的功率密度大,其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机,可以有效地节约材料;由于高速电机的转动惯量较小,所以动态响应较快;高速电机可与原动机或负载直接相连,省去了传统的机械变速装置,因而可减小噪音和提高传动系统的效率。特别是永磁电机由于其结构简单,力能密度高、无励磁损耗和效率高等优点,最适合用于中、小型高速发电机。研究内容：研究内容：针对高速永磁电机设计中的关键问题，采用磁场、流体场和温度场相结合的分析方法对高速电机的损耗、温升和散热问题进行了研究，样机采用 7500W，60000r/min 的高速电机，主要应用场合：主要

4、应用场合：1.高速电动机在空调的离心式压缩机、飞轮储能、纺织、高速磨床等应用场合，且会越来越多。2.高速发电机由于其体积小、高功率密度和高可靠性在工业领域应用广泛。3.高速永磁电机在高速磨床、真空泵、摩擦焊接机及污水处理中得到了广泛的应用。高速电机主要研究热点：高速电机主要研究热点：1.高速电机非线性数学模型的建立。2.噪声和振动问题的研究。3.定转子损耗铜耗，铁耗和冷却系统研究。研究内容研究内容：高速永磁电机的机械与电磁特性及其关键技术，设计制造了一台额定转速为 60000r/min，额定功率为 7500W 的样机。高速电机主要应用场合：高速电机主要应用场合：1.空调或冰箱的离心式压缩机、储

5、能飞轮、纺织、高速磨床等诸多应用场合。2.在混合动力汽车、航空、船舶等领域具有良好的应用前景,随着混合动力汽车的发展,高速发电机将会广泛应用于军工领域。3.在分布式发电系统中具有广阔的发展前景。由燃气轮机驱动的高速发电机体积小,具有较高的机动性,可用于医院、宾馆及其它重要设施的备用电源,也可作为独立电源或小型电站,弥补集中式供电的不足,具有重要的实用价值。高速电机关键技术国内外研究现状：高速电机关键技术国内外研究现状：1.美国麻省理工学院的电磁和电子系统实验室研究的 SMW 高速感应发电机。2.德克萨斯州立大学机械电子中心用于先进机车推进系统的 3MW 高速同步发电机和高速感应飞轮电机。3.英

6、国 Turbo Genset 公司推出的以 1.2MW 高速永磁发电机为核心的新型移动电站。4.英国燃气发电设备，专门从事开发研制燃气轮机驱动的高速发电产品。他们研制出一种盘式结构高速永磁发电机。转子由一个或多个同轴的圆盘构成,圆盘内是轴向磁化的永磁体,定子也是由一个或多个圆盘构成,盘内是定子绕组。转子盘和定子盘交错排列,具有较高的效率和强度。5.国内对高速电机的研究还处于起步阶段,有关高速电机温升计算方面的文献资料很少。6.转子强度的准确计算和动力学分析是高速电机设计的关键技术，但国内学者对高速电机转子动力学分析研究较少。高速开关磁阻电机高速开关磁阻电机主要应用领域：主要应用领域：1.新能源

7、汽车：新能源汽车：目前,在经济发达地区,新能源汽车已经得到了较大力度的推广和扶持。以杭州为例,众泰、比亚迪等新能源汽车厂商生产的纯电动公交车和纯电动出租车正在改造整个城市的公共交通系统,对新能源汽车不限购的政策扶持也使得私人购买领域逐渐兴起。新能源汽车的发展促使电机制造、充电设施、动力电池等电气上下游领域也迎来一波难得的发展机遇。2.光伏水泵：光伏水泵：为了解决供电、供水困难的问题,一般利用当地丰富的太阳能资源,使用太阳能电池板对水录的驱动马达进行供电。这类系统通常包括光伏阵列、水源、储水容器以及马达系,一般称之为光伏水系。光伏水泵通过太阳能直接驱动,具有较高的经济性,目前已经在亚非拉和中东等

8、发展中国家和贫困地区得到了广泛的应用 h 由于光伏水泵涉及到了能量变换、电机控制、电力电子、机械设计等跨学科、多维度的技术,集光、电、机于一体,因而也被许多国家列为技术优先发展对象,是新能源领域一个重要的研究方向。现阶段研究现状：现阶段研究现状：1.1.新能源汽车研究现状：新能源汽车研究现状：加强新能源汽车关键核心技术研究,需要在驱动电机系统、动力电池系统方面推进技术创新。电机驱动系统是电动汽车的关键部件,目前电动汽车的驱动电机主要包括直流电机、感应电机、永磁无刷电机和开关磁阻电机等四类电机。开关磁阻电机转子无绕组,具有结构简单、可靠性高、恒功率范围大以及控制灵活、响应速度快的优点,并且适用于

9、高速场合。2.2.光伏水泵研究现状：光伏水泵研究现状：对于光伏水泵驱动电机的选择,当功率大于 10KW 时较多项选择用三相交流异步电机,而直流无刷电机以其效率高、经济性好也在光伏水泵中得到了越来越广泛的应用。交流异步电机釆用 SPWM 正弦脉宽调制技术,可以把变频控制与最大功率点追踪集成在控制器中,系统结构紧凑而稳定,直流电压利用率高,并且有较好的直流母线电压补偿功能；直流无刷电机釆用无位置传感器换相方式,负载阻力矩随转速的降低而减小,电机的运行效率可以得到较大程度的提高,因而适合在光伏水泵驱动系统中使用。实验平台：实验平台：12/8 开关磁阻电机，额定功率 750W，母线电压 60V，额定转

10、速 1500r/min。研究开发功率密度较大，效率较高，调速范围较宽的驱动系统是电开工具实现安全可靠运行的关键。目前有多种机型有作为驱动电机，如直流串激电机、交流串激电机、永磁无刷直流电机、交流变频异步电机等电机类型，目前开关磁阻电机在这方面的应用还不是太多。开关磁阻电机作为驱动源的优势：开关磁阻电机作为驱动源的优势：1.开关磁阻电机没有电刷和换相器，可实现高速可靠运行。同时在功率不变的情况下，高转速可实现电机的轻量化，有利于节约成本。2.开关磁阻电机具有比其他类型驱动系统更宽的效率范围，可以提高电开工具的使用时限。3.开关磁阻电机很容易实现电开工具的正向电动、正向制动、反向电动、反向制动的四

11、象限运行，而且高速运转时制动能力较强。4.开关磁阻电机调节方便，通过改变开通角和关断角，即可实现恒速运行、软性起动以及过载等保护功能。而且也可容易实现它励直流电机驱动系统的相同的性能。此外 SR 电机控制为纯逻辑方式，智能化方便，能够到达电开工具各种运行工况要求。5.开关磁阻电机自身结构和控制电路简单可靠，成本低廉，适应环境能力强，使用中较少需要维护。开关磁阻电机在高速场合下优势：开关磁阻电机在高速场合下优势：1.转子无永磁体或绕组，为简单坚固的实心叠片结构，可以承受很高的机械离心力。2.电机绕组各相间耦合弱，系统容错能力强、可靠性高。3.高速场合性能优异，恶劣环境适应能力强。4.控制灵活，方

12、便实现四象限运行，调速范围宽。5.功率密度大，体积远小于同功率中低速电机。高速高速 SRMSRM 电机关键技术研究热点：电机关键技术研究热点：1.建立一套工程应用强的高速 SR 电机本体的多参数综合设计体系，完善高速 SR 电机设计理论。2.研究新型高速 SR 电机功率变换器主电路拓扑结构，提高换相性能。3.研究建立实用且准确的铁损耗计算模型。4.研究新型智能控制方法，将其应用在高速 SR 电机控制系统中。5.研究无位置传感器技术，以减小高速系统复杂程度，增加可靠性。6.振动噪声研究，对高速 SR 电机进行转子强度转子强度和动力学分析动力学分析是高速 SRD 系统设计的关键。7.高速 SR 电

13、机磁悬浮技术研究。国内外高速电机工程实践情况：国内外高速电机工程实践情况：1.GE 公司研制的 6/4 结构 30kW 航空 SRM 起动/发电机，最高转速达 22000r/min，功率密度高达3.89kW/kg。2.法国研制出的一台1kW，采用陶瓷复合轴承的超高速运行的SR 电动机，其设计最高转速可达200000r/min。3.美国 Calnetix 公司开发的舰用 2MW 高速永磁发电机，转速范围为 19000-25000r/min,目前已研制出500000r/min 的永磁发电机。4.南京航空航天大学研发了一台 6KW，270V 高压直流航空 SRM 起动/发电原理样机。SR 电机冷却方

14、式采用风冷，0-6000r/min 为起动状态,7000-12000r/min 为发电状态。5.国内高校多数在进行电机损耗的研究，要减小高速电机的损耗主要有两种途径：一是从控制方式上进行合理优化，改善电机在不同负载下运行性能；另一方面通过优化电机本体结构，提高电机本体设计效率。飞轮储能电机飞轮储能电机飞轮储能应用现状：飞轮储能应用现状：1.美国宇航局研究中心已经成功研制了三代用于卫星姿态控制的飞轮储能系统并得到应用。其研制的飞轮储能系统的储能从最初的 330Wh 提高到了 2135Wh，飞轮转速可到达 60,000r/min。2.美国 Beacon Power Corporation 致力于将

15、飞轮储能用于电力系统中，目前研制的由 200 个单机容量 25kWh，功率 100kW，转速 16,000r/min 的飞轮子系统组成的 5MWh 飞轮储能矩阵已在纽约电网投入运营。3.德国 ATZ 公司联合 Magnet Motor 公司致力于研究飞轮储能在不间断电源中的应用，于 2006 年研制了储能容量为 5kWh，功率为 250kW 的高温超导磁轴承支撑的飞轮系统。飞轮电池在混合电动汽车中的应用：飞轮电池在混合电动汽车中的应用：研究部门研究部门应用领域应用领域容量容量kWhkWh最大功率最大功率/连连功功 率率 密密 度度能能 量量 密密 度度Wh/kgWh/kg最最 高高 转转 速速

16、rpmrpm22,000Flybrid Systems LLPHyKinesys Inc.续功率续功率kWkW W/kgW/kgCCM重型车4300/200800轻型车110/60846060,000轻型车100/502000620,000L-3 MM重型车2300/100750512,000POWERTHRU重型车190/5069352,500飞轮储能用高速永磁电机研究现状：飞轮储能用高速永磁电机研究现状：目前飞轮储能用高速电机主要有感应电机、磁阻电机、永磁电机。感应电机和开关磁阻电机各有缺陷，永磁电机以其高功率密度、高效率的优点，可以运行在较高的转速，因此得到了广泛应用。1.美国 Lawr

17、ence Livermore 国家实验室比照了外转子传统充磁方式与 Halbach 结构电机在飞轮系统中的各项性能，指出 Halbach 结构电机的空载损耗是传统结构的 1/10。Halbach 结构因其特别的充磁方式，产生一个单边磁场，即使在定子或转子无铁心的情况下，也可以得到较高的气隙磁密，这种结构消除了高速电机的空载铁耗和不平衡磁拉力，而且保证了电机的功率密度和转矩密度，在飞轮储能系统中具有独特的优越性。2.英国谢菲尔德大学的 D.Howe 等人将 Halbach 结构的外转子无铁心高速永磁电机用于飞轮系统中，该系统用于电动汽车的峰值功率缓冲。3.韩国忠南大学的 Seok-Myeong

18、Jang 等人对飞轮储能用的高速 PMSM 做了大量的研究，在 2006 年研究了一台高速永磁同步电机如下列图 1 所示，二极转子由多块永磁体拼接而成，采用整体充磁方式，定子采用的是无槽的环形绕组形式。这种绕组形式有效地将电机绕组轴向端部转移到定子铁心轭部，使电机轴向长度缩短，解决了整数槽电机端部过长的问题。4.沈阳工业大学的王凤翔教授提出了一种有利于提高冷却效率和增加转子刚度的定子环形绕组结构，冷却气流直接通过内外通风道，冷却定子绕组，提高了冷却效率。现已成功研制了磁悬浮轴承支撑如图 2所示的 75kW，60000rpm 高速永磁电机。图 1图 2高速永磁电机的关键技术研究现状：高速永磁电机

19、的关键技术研究现状：1.1.转子机械强度及动力学研究：转子机械强度及动力学研究：转子的机械强度计算及动力学研究是高速转子设计的主要研究方向，国内外已有学者对转子结构强度和动力学做了大量的研究。Binder A 在对一台功率为 40kW，最高转速为 48000rpm 电机的研究中，比照了两种不同极弧系数的表贴式转子结构的机械强度，得出极弧系数为 1 的转子结构比极弧系数为 0.87 的转子结构具有更好的机械强度，作者的实验结果说明永磁体极弧系数小于 1 时，在相邻永磁体区间，保护套不仅存在拉应力还存在弯曲应力，承受的应力较大，为了使电机在高速运行时不遭受损坏，作者提出在永磁体极间填充一种非磁性材

20、料。2.2.高速永磁电机的损耗：高速永磁电机的损耗：定子铁心损耗在电机总损耗中占绝大多数。目前计算铁心损耗的方法主要有：1经典损耗别离模型；2椭圆旋转模型；3正交分解模型。为了减小定子损耗，黄允凯在发表的高速永磁电动机设计的关键问题期刊中提出让电机绕组一般采用多股导线并绕方式，也有国外学者利用有限元法计算了多股并绕导线在高速感应电机中的铜耗，经过研究发现，交流铜耗是绕线直径、并绕根数和频率的函数，且靠近槽开口的导线损耗最大，并针对邻近效应产生的涡流附加损耗问题，得出利用 Litz 线缠绕能够有效的减小绕组涡流损耗。汤平华在发表的期刊定子无铁心飞轮电机绕组涡流损耗分析中针对无铁心的飞轮电机绕组涡

21、流损耗进行分析，绕组采用 Litz 线缠绕，由环氧树脂浇注固定，建立了圆形导线在正弦交变磁场中的涡流损耗计算模型，并通过停机实验进行了验证。通过分析转子涡流损耗的计算模型，可以很快知道各影响因素所占的比例，因此研究的重心落在了削弱转子涡流损耗上，主要分为 3 种方法：永磁体分块技术，利用导电屏蔽层屏蔽高频谐波磁场以及改变定子结构。3.3.电机的温升计算和散热技术：电机的温升计算和散热技术：在电机的设计过程中，永磁体的性能、绕组的电阻以及绕组间的绝缘等都与温度密切相关，电机的温升计算是高速电机设计的重点。等效热路法是快速计算电机温升的一种有效方法，有学者利用等效热路法专用软件 MOTOR-CAD

22、 建立了表贴式永磁电机的热网络图，不仅考虑了端部绕组损耗、电机端盖散热，还包括自然对流、辐射和传导等散热方式，给出了一个精确度较高的模型。提高电机的冷却散热能力是控制电机温升的主要方法之一。对于高功率的密度的电机多采用的强迫冷却方式，目前针对高速电机转子散热的研究很少，大多数都集中在降低转子涡流损耗和风摩损耗，通过控制热源，来改善转子散热条件。高速无刷直流电机高速无刷直流电机1.1.高速无刷直流电机的无位置传感器控制系统研究高速无刷直流电机的无位置传感器控制系统研究 硕士硕士 骆传旺骆传旺高速直流无刷电机由于速度高、体积小、功率密度大、转动惯量小、动态响应快等优点，在涡轮增压涡轮增压器、航空航

23、天测试平台及高速加工领域如高速磨床、高速铣床器、航空航天测试平台及高速加工领域如高速磨床、高速铣床、医疗设备、医疗设备等许多领域得到了广泛应用，成为高速电机设计的首选。国内高速直流无刷电机的研究还处于起步阶段，高速电机驱动器的市场一直被国外公司垄断，这篇文章主要针对高速磨床的主轴电机的驱动器进行研究。高速无刷直流电机无位置传感器控制已经成为高速电机控制领域的热点。无位置传感器的高速无刷直流电机省去了位置传感器的安装、维护，适合工作在高温、高湿或对电机尺寸有严格要求的环境之中。本课题研究的驱动器用于控制高速磨床主轴电机，电机额定功率 4KW，额定电流 18A，额定转速 50 000r/min。高

24、速无刷直流电机研究现状：高速无刷直流电机研究现状：目前研究热点：转矩波动的抑制，控制算法，无位置检测技术，弱磁调速等。其中置传感器转子位置检测技术中，目前技术比较成熟的有反电动势法，续流二极管法，电感法、磁链观测法、状态观测器法。其中反电动势法包括相电压反电动势检测法、反电动势三次谐波法、反电动势积分法。相电压反电动势检测法：优点易于实现；缺点需要额外的电机起动策略，调速比差。反电动势三次谐波法：优点调速比大，相位延迟小，不受续流二极管导通角的影响；无法实现电机自起动。反电动势积分法：优点门限值与电机速度无关，易实现电机的超前换相和滞后换相；误差累积和门限值设置比较困难。国内外主要研究成果：国

25、内外主要研究成果：1.浙江大学的杨杰针对无刷直流电机无传感器控制提出了一种改良型的反电动势检测电路，该电路不会带来转速变化引起的相位滞后，解决了不同转速下电机反电动势检测问题。2.东南大学林耀明等人通过采用电感法，解决了无位置传感器的直流无刷电机的起动问题。3.浙江大学邱建琪针对洗衣机上直流无刷电机的转矩脉动抑制进行了研究，提出了一种基于六个离散信号的自同步电压空间矢量法。4.韩国的 Yoon-ho Kim 将神经网络、智能控制算法运用到高速感应电机无位置传感器控制系统。5.浙江大学特种机械研究所通过对直流无刷电机转子涡流损耗和无位置传感器控制研究，研制出2.3KW，150 000r/min 的高速永磁无刷电机及控制系统。