高速異步電機設計的關鍵技術

陳麗

摘要：伴隨當前我國機械行業發展速度逐步加快，高速異步電機在企業生產過程中獲得了廣泛地應用，高速異步電動機的設計和生產也受到了企業的廣泛關注，因此需要重視從設計的角度出發對高速異步電機進行考慮，使高速異步電機的設計和生產水平提升。本文重點分析研究高速異步電機設計的關鍵技術，以供參考。

關鍵詞：高速;異步電機;設計;關鍵技術

1 高速異步電機的功率與速度限制

通常人們往往把轉速較高的電機稱作是高速電機，然后從電機設計的角度出發，對高速電機的情況進行分析可以發現，對高速電機進行衡量時，轉速并非唯一特征。在實際應用過程中，因為散熱強度等各個方面因素的影響，功率體積比、轉速、轉子直徑等往往都是對高速電機進行設計時的瓶頸，所以在設計高速電機過程中需要對各種指標進行綜合化的衡量，考慮功率密度、轉子線速度等，只是通過額定轉速對電機進行衡量是不正確的。

一般來說電機的額定轉速和電機的額定功率之間關系如下所示。

電機的功率與速度關系式：P=兀2D2σn

式中：n主要表示的是轉子轉速;D主要表示的是轉子直徑;L主要表示的是轉子長度;σ主要表示的是轉子表面的切向應力。

在計算過程中，以p為縱軸、以n為橫軸時，N-P曲線是一條直線，這條直線說明了在確定電機轉子直徑和轉子長度之后，對電機進行變頻控制，在確保電機磁通不變的情況下，轉子的轉速升高，電機的功率也會進一步提高，然而在實際運行過程中，因為轉子表面應力和功率密度等各個方面因素的影響，散熱強度等往往對高速異步電機的速度和功率產生制約。上述問題逐步成為當前高速異步電機設計過程中的“阿克琉斯之踵”，需要采取合理的方法進行控制。

2 高速異步電機的軸承設計

2.1 機械軸承的設計

在高速異步電機當中，軸承是核心部件，如何選好電機軸承，讓高速異步電機的使用壽命提升，控制摩擦和溫升，將動態特性改變都是非常關鍵的。因此在設計高速異步電機時一定要注意加強電機軸承的設計，對軸向剛度、機械負載方向、徑向剛度、最大轉速等進行綜合化的考慮，通常軸承的最大轉速值都有標記，所以最大轉速與軸承內外徑平均值的乘積（nDm值）成為軸承選擇過程中重要參數。由于軸承的不同尺寸，就算轉速相同，其圓周速度也不盡相同，因此不能單純以轉速來對電機的轉動水平進行衡量，而需要使用ndm值來進行表示。該值還能夠對高速異步電機的轉子剛度特性進行間接反應。

2.2 無摩擦軸承技術

由于高速異步電機的軸承磨損速度較快，也就導致高速異步電機的使用壽命大幅度縮短，對電機向高功率、高轉速的方向發展產生了嚴重地制約。近年來磁懸浮軸承氣浮軸承逐步出現，將軸承磨損過快等問題解決，特別是磁懸浮電機在高速運轉過程中，獲得了較好的效果。磁懸浮軸承應用最廣的是主動磁軸承，通過軸承單元環繞的線圈產生電磁力，通過反饋徑向、軸向位置的控制器來對電機進行控制，保證其處于懸浮運行的狀態，可以讓磁懸浮電機的使用壽命大幅度延長。然而在實際工作過程中自宣布軸承電機依然會出現輸出功率無法提高等問題，對于這些問題在設計過程中一定要注意合理地對電機轉子鐵芯部分的軸向長度和徑向尺寸進行設計，因為電機兩端的磁懸浮軸承具有一定的軸向長度，軸系往往比普通軸承電機略長，為了能夠在額定轉速運行過程中防止轉軸的臨界轉速，需要注意盡可能地控制電機轉子的軸向長度，保證其處于合理的范圍內，提升運行效果。

3 高速異步電機的電磁設計

當前高速異步電機電磁設計過程中，電子材料主要使用以下幾種方案，首先為了讓鐵心的損耗進一步降低，控制低磁場強度下出現的高飽和磁通密度，使用各向同性為3%硅含量的0.18毫米硅鋼片，另外使用軟磁合金在轉子鐵芯上疊加安裝。其次是使用軟磁合金材料，在轉子和定子鐵芯材料當中，可以發現高速異步電機的電子材料上選擇軟磁合金，鈷鐵合金是非常合理的，盡管鈷鐵合金相對較貴，但是在特殊熱處理之后，其屈服強度可以達到600mN/m2，具有很好的電磁性能。另外，在高速異步電機運行過程中表現較為優異，當前該種合金還廣泛用于航空電機當中。與此同時還有一種全新的材料，也就是非晶態磁性材料。這種磁性材料的電阻是金鈦合金材料的3～4倍，而且非常薄，厚度只有0.03毫米到0.05毫米，是一種典型的軟磁特性材料。相比于硅鋼片，缺點在于機械加工性能較差。飽和磁感應強度和鐵芯占空比系數較低，在應用過程中需要將這些問題解決[1]，提升運行的穩定性。

4 對高速異步電機設計中的散熱設計

高速異步電機的散熱往往和自身的發熱息息相關，這對異步電機的工作穩定性有直接影響，因此需要綜合化的電機的發熱影響因素進行考慮，而該因素主要是使用壽命和絕緣材料的性能決定，也正是如此，高速異步電機散熱設計逐步成為當前電機設計過程中的關鍵點。在后期高速異步電機運行穩定性控制方面具有很大的幫助。當前我國電機企業在進行高速異步電機生產過程中會產生較大的摩擦損耗。摩擦主要來源于空氣和轉子之間的接觸，這部分的摩擦需要重點設計和考慮，合理地進行散熱，減少氣隙的摩擦，控制轉子避免由于摩擦而導致的溫度升高。在轉軸運行過程中，冷氣流可以讓異步電機的轉子溫度降低，達到降溫的效果。

與此同時，轉子表面的熱量也是轉子升溫而導致的，需要注意加強溫升的控制，對于轉子運轉時和空氣摩擦產生的熱量，相關電機生產企業需要注意在對空氣表面光滑度進行計算的前提下展開相應的控制，光滑的轉子表面能夠讓交換率提高，因此需要注意加強溫升的控制，在保證不對電機轉軸正常運轉發熱產生影響的條件下，控制電機的實際大小[2]。

當前市面上主要使用封閉式的散熱系統，在高速異步電機散熱設計過程中需要使用循環水等附著的方式來進行散熱，通過水來帶走電子表面的熱量，使其處于常溫狀態，利用該散熱系統可以將常溫乳化水作為制冷劑，循環在水槽當中流動進行降溫，以提升整體的散熱效果。

該系統在實際應用過程中需要注意以下幾個問題。首先水冷系統會伴隨輸出功率的升高，源源不斷地帶走增加的轉子損耗熱量。其次通過潤滑油霧和轉子空隙之間進行熱交換，可以帶走一些水冷系統無法帶走的熱量。在設計高速異步電機時，需要注意對水冷系統無法對轉子損耗散熱起根本性作用的問題進行充分考慮，在實際設計過程中盡量保證總損耗為定量的條件下將定制損耗加大，控制轉子損耗。另外在散熱系統設計過程中需要注意如何保證機械軸承和定子結構之間的溫升限度同步到達，如果發現機械軸承和電子系統之間的溫升無法同步到達任何一個系統，出現額定溫升過高等情況，都會導致高速異步電機運行系統出現故障[3]。

結束語

高速異步電機具有可靠性高、性能卓越等諸多優點。在制造業當中占據非常重要的地位，在各種大型企業當中運用非常廣泛，然而高速異步電機運行過程中，轉子、軸承等高速運轉部件是非常重要的，因此需要重視加強這些部件的設計，學習國內外的先進經驗，逐步加強創新，生產出高效的高速異步電機。

參考文獻

[1] 邵士良. 一種基于沖片結構的MW級高速永磁風力發電機關鍵技術的研究[D]. 上海電機學院， 2015.22：136-137.

[2] 陳廣勛，王翼翔.高速變頻電機開發中的關鍵技術[J].電機技術，2017，000（005）：117-120.

[3] 徐禮鋒， 陳遠龍. 高速異步電機設計的部分關鍵技術研究[J]. 銅陵學院學報， 2006， 005（005）：174-175.