中國高轉(zhuǎn)速電機(jī)設(shè)計(jì)存在的七個(gè)大問題
【導(dǎo)讀】無論是國內(nèi)國外，高速電機(jī)仍存在設(shè)計(jì)與分析方面亟需解決的問題。具體來說，高速電機(jī)在設(shè)計(jì)與分析方面主要存在以下幾個(gè)問題。
    由于研究基礎(chǔ)薄弱，我國高速電機(jī)產(chǎn)業(yè)化水平較低，與國外相比尚有較大差距，特別是兆瓦級以上的大功率高速電機(jī)和超高速高速電機(jī)應(yīng)用很少，在設(shè)計(jì)和分析方面存在很多問題。
高速電機(jī)一般是指轉(zhuǎn)速超過超過一萬r/min或難度值超過十萬的電機(jī)，目前實(shí)現(xiàn)高速化的主要有感應(yīng)電機(jī)、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)以及少數(shù)外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)和爪極電機(jī)等。

    高速電機(jī)的特點(diǎn)是體積小、功率密度大，可與高速負(fù)載直接相連，省去了傳統(tǒng)的機(jī)械增速裝置，能減少系統(tǒng)噪音，并提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率。高速電機(jī)可應(yīng)用范圍廣闊，包括高速磨床、燃料電池、儲能飛輪、國際電工等領(lǐng)域，市場前景良好。
    國外對于高速電機(jī)的研究已具備相當(dāng)?shù)幕�礎(chǔ)，產(chǎn)業(yè)化水平較高。我國由于起步較晚，研制多集中于中小功率和較低轉(zhuǎn)速范圍，高速電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化水平偏低，與國外相比存在一定差距。
不過，無論是國內(nèi)國外，高速電機(jī)仍存在設(shè)計(jì)與分析方面亟需解決的問題。具體來說，高速電機(jī)在設(shè)計(jì)與分析方面主要存在以下幾個(gè)問題。
第一，基于電磁場、應(yīng)力場、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、流體場與溫度場等多物理場耦合方法來分析高速電機(jī)的技術(shù)尚不成熟;
第二，高速軸承面臨問題較大，如滾球軸承無法承受過高轉(zhuǎn)速，空氣軸承承載負(fù)載能力有限，磁懸浮軸承控制復(fù)雜且價(jià)格昂貴。
第三，大功率高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)尚未完善，變換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)比較薄弱;
第四，大功率率高速永磁電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多采用風(fēng)冷和水冷相結(jié)合，冷卻效果有限;
第五，高速永磁電機(jī)向超高速和大功率方向的發(fā)展，受到永磁體抗拉強(qiáng)度低、耐溫能力差等制約;
第六，面貼式永磁電機(jī)的合金保護(hù)套存在較大的渦流損耗，碳纖維保護(hù)套的導(dǎo)熱系數(shù)較差，不利于其轉(zhuǎn)子散熱;
第七，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子不能承受較大的離心力，實(shí)心轉(zhuǎn)子存在較大的渦流損耗。
所以，未來高速電機(jī)的發(fā)展和研究將基于上述關(guān)鍵問題，如基于多物理場和多學(xué)科的耦合設(shè)計(jì)，開發(fā)高強(qiáng)度與高耐溫能力的永磁材料，研究高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)，研制高速電機(jī)控制系統(tǒng)等。