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    為什么高速電機的價格比較貴?

    來源: 時間:2021-04-01 18:00:11 瀏覽次數:

    我們都知道電機轉速的高低與電機的體積重量密切相關,同樣功率的電機轉速越高體積重量越小。隨著電機技術和電力電子技術的飛速發展,高速越來越被人們重視,許多高速設備希望去掉變速箱,直接用高速電機來驅動(即所謂的"直驅")
         我們都知道電機轉速的高低與電機的體積重量密切相關,同樣功率的電機轉速越高體積重量越小。隨著電機技術和電力電子技術的飛速發展,高速越來越被人們重視,許多高速設備希望去掉變速箱,直接用高速電機來驅動(即所謂的"直驅"),以簡化系統、降低成本、提升效率。從電機本身來講,也希望通過提高轉速減小體積重量以降低成本。因此,近年來高速電機的需求越來越大,但是研發高速電機的難度不是一般的大,那是相當的大,難在哪呢?
        1、軸承的限制。旋轉電機都離不開軸承,傳統的軸承除了它的承載能力外還有一個重要的制約條件,那就是它的dn值(其實這個值代表了軸承檔的線速度),所謂dn值就是軸承檔的直徑與轉速的乘積,一般來講,軸承的dn值不能超過2*10^6,如果電機轉速過高功率又比較大,那必然會受到這個值的制約,采用一般的軸承就不能滿足要求了。解決這個問題一方面需要軸承行業提高技術,另一方面需要另辟蹊徑,采用一些新技術,如氣懸浮軸承、磁懸浮軸承等。
        2、轉子結構限制。轉子高速旋轉時,轉子上的零部件必然會受到強大離心力的作用,還有氣隙磁場徑向和切向電磁力的作用,當轉速高到一定程度,則相關的結構強度就會受到制約,特別是轉子繞組端部、磁鋼的緊固結構、槽根部、槽契緊固結構、轉子鑄鋁結構或銅條焊接、換向器等零部件和結構都會受到制約,傳統的設計和緊固方法已不能滿足要求,必須采取特殊的設計和工藝來保證。解決這方面的新技術包括高強度不銹鋼套、磁鋼內嵌設計技術、高強度玻璃纖維打箍技術、高強度碳纖維打箍技術、焊接新技術、高強度硅鋼材料技術、實心轉子技術等。
        3、轉子動力學限制。一般電機的轉速都會遠低于轉子結構的一階臨界轉速,稱為"剛性轉子",不必考慮轉子二階以上的振動模態和變形,但高速電機轉速可能會超過一階甚至二階臨界轉速,稱為"柔性轉子",這種轉子旋轉時就像面條一樣軟,這就必須要對轉子進行動力學分析計算,采取相應的抑制措施。需要的技術包括轉子動力學的仿真計算、柔性轉子的平衡技術、轉子剛度平衡技術、軸鋼材料技術等。
        4、發熱及冷卻方面的限制。高速電機體積重量小,是其突出優點,但體積的減小必然帶來散熱面積的減小,而電機的效率是不會有太大差異的,這就意味著同功率電機的損耗(即發熱量)差異不大,而散熱面積差異很大,因此高速電機的冷卻散熱問題就顯得非常突出。另一方面從電機發熱角度看,由于電機轉速,通常頻率會很高,而鐵耗與頻率的1.3~1.5次方成正比,因此鐵耗增大會非常突出,另外轉速高使得風磨損耗和雜散損耗也會急劇惡化,老師就曾見過由于轉子表面光潔度不夠,高速運行時僅空氣摩擦就把轉子表面燒變顏色的案例。一方面散熱惡化,另一方面發熱也不消停,再加上由于轉子緊固結構需要打箍或鑲不銹鋼套,不銹鋼套是金屬良導電體,會增加轉子雜散損耗,而打箍材料無論是玻璃鋼還是碳纖維都是熱的不良導體,各種因素的疊加使得高速電機的溫升成為一個非常棘手的問題。解決途徑包括電磁和熱計算技術、冷卻技術(如蒸發冷卻技術等)和冷卻結構、材料技術等。
        5、振動噪聲限制。振動和噪聲是電機的重要技術指標,高速電機由于轉速很高,使得激振頻率很高,加之電機細長,質量較輕,阻尼比較小,振型豐富,易產生各種頻率的振動。振動是噪聲之源,振動大則結構噪聲必然會大,且由于轉速高也容易產生較大的空氣噪聲。試驗時經常會遇到還未達到規定的轉速振動和噪聲就已經大得無法繼續試驗下去了。因此減振降噪是高速電機必須解決的問題,也是特別難搞定的問題,需要在電磁設計、結構設計等方面綜合考慮。
        6、結構尺寸方面的限制。從理論上講,高速電機尺寸較小是其優勢,但與低速電機相比,同功率的電機如果電壓也相同,那么電流就會相同或相近,所用的引出線截面并不會減小,在相對低速的電機中,由于電機體積較大,有足夠大的空間布置引出線,電纜引出往往不存在問題,而高速電機內部空間尺寸狹小,特別是繞組端部,往往沒有空間容納截面較大的引出電纜,因此高速電機的電纜引出就成了一個大問題,必須專門予以考慮。甚至不得不為此專門放大體積尺寸,使得高速電機體積小的優勢大打折扣。
        7、控制方面的限制。高速電機通常都要用變頻器進行控制,由于轉速高,導致基頻很高,而電力電子器件的開關頻率是有限的,而且開關頻率過高會使器件發熱嚴重,變頻器效率降低。在一定的開關頻率下,調制出較高的基頻必然使得調制比降低,諧波增大,波形變差,進一步惡化電機的發熱和效率,從而制約了轉速的進一步提高。通常配高速電機的變頻器需要專門設計。
        8、加工方面的限制。高速電機尺寸配合精度高,形位公差和粗糙度要求高,需要精密的加工設備和工藝來保證。除此之外由于高速電機的許多特殊設計往往要靠特殊的工藝技術來保證,如特殊的焊接工藝(離子束焊、電子束焊、攪拌摩擦焊等)、碳纖維打箍工藝、薄壁件精密機加工藝、高速動平衡工藝等等。
        9、材料限制。前面已經說了,高速電機會涉及到許多新材料的應用,如高強度低損耗導磁材料、耐高溫稀土永磁材料、高強度玻璃纖維和碳纖維材料、耐高dv/dt絕緣材料等等。
        10、電磁兼容方面的限制。高速電機基波頻率已很高,加之高次諧波較大,使得電磁發射能量較大,不僅傳導發射大,高頻輻射也成為不得不重點考慮的因素,否則會對周圍電器設備造成電磁干擾; 又由于高速電機轉速高,若對其控制不僅需要分辨率高的傳感器,而且控制信號的頻率會更高,控制器動態性能要求更高,這勢必造成控制器的敏感性高,抗干擾能力變差。因此高速電機的電磁兼容性能也是一個不容忽視的問題。

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