高速异步电机设计的关键技术

陈丽

摘要：伴随当前我国机械行业发展速度逐步加快，高速异步电机在企业生产过程中获得了广泛地应用，高速异步电动机的设计和生产也受到了企业的广泛关注，因此需要重视从设计的角度出发对高速异步电机进行考虑，使高速异步电机的设计和生产水平提升。本文重点分析研究高速异步电机设计的关键技术，以供参考。

关键词：高速;异步电机;设计;关键技术

1 高速异步电机的功率与速度限制

通常人们往往把转速较高的电机称作是高速电机，然后从电机设计的角度出发，对高速电机的情况进行分析可以发现，对高速电机进行衡量时，转速并非唯一特征。在实际应用过程中，因为散热强度等各个方面因素的影响，功率体积比、转速、转子直径等往往都是对高速电机进行设计时的瓶颈，所以在设计高速电机过程中需要对各种指标进行综合化的衡量，考虑功率密度、转子线速度等，只是通过额定转速对电机进行衡量是不正确的。

一般来说电机的额定转速和电机的额定功率之间关系如下所示。

电机的功率与速度关系式：P=兀2D2σn

式中：n主要表示的是转子转速;D主要表示的是转子直径;L主要表示的是转子长度;σ主要表示的是转子表面的切向应力。

在计算过程中，以p为纵轴、以n为横轴时，N-P曲线是一条直線，这条直线说明了在确定电机转子直径和转子长度之后，对电机进行变频控制，在确保电机磁通不变的情况下，转子的转速升高，电机的功率也会进一步提高，然而在实际运行过程中，因为转子表面应力和功率密度等各个方面因素的影响，散热强度等往往对高速异步电机的速度和功率产生制约。上述问题逐步成为当前高速异步电机设计过程中的“阿克琉斯之踵”，需要采取合理的方法进行控制。

2 高速异步电机的轴承设计

2.1 机械轴承的设计

在高速异步电机当中，轴承是核心部件，如何选好电机轴承，让高速异步电机的使用寿命提升，控制摩擦和温升，将动态特性改变都是非常关键的。因此在设计高速异步电机时一定要注意加强电机轴承的设计，对轴向刚度、机械负载方向、径向刚度、最大转速等进行综合化的考虑，通常轴承的最大转速值都有标记，所以最大转速与轴承内外径平均值的乘积（nDm值）成为轴承选择过程中重要参数。由于轴承的不同尺寸，就算转速相同，其圆周速度也不尽相同，因此不能单纯以转速来对电机的转动水平进行衡量，而需要使用ndm值来进行表示。该值还能够对高速异步电机的转子刚度特性进行间接反应。

2.2 无摩擦轴承技术

由于高速异步电机的轴承磨损速度较快，也就导致高速异步电机的使用寿命大幅度缩短，对电机向高功率、高转速的方向发展产生了严重地制约。近年来磁悬浮轴承气浮轴承逐步出现，将轴承磨损过快等问题解决，特别是磁悬浮电机在高速运转过程中，获得了较好的效果。磁悬浮轴承应用最广的是主动磁轴承，通过轴承单元环绕的线圈产生电磁力，通过反馈径向、轴向位置的控制器来对电机进行控制，保证其处于悬浮运行的状态，可以让磁悬浮电机的使用寿命大幅度延长。然而在实际工作过程中自宣布轴承电机依然会出现输出功率无法提高等问题，对于这些问题在设计过程中一定要注意合理地对电机转子铁芯部分的轴向长度和径向尺寸进行设计，因为电机两端的磁悬浮轴承具有一定的轴向长度，轴系往往比普通轴承电机略长，为了能够在额定转速运行过程中防止转轴的临界转速，需要注意尽可能地控制电机转子的轴向长度，保证其处于合理的范围内，提升运行效果。

3 高速异步电机的电磁设计

当前高速异步电机电磁设计过程中，电子材料主要使用以下几种方案，首先为了让铁心的损耗进一步降低，控制低磁场强度下出现的高饱和磁通密度，使用各向同性为3%硅含量的0.18毫米硅钢片，另外使用软磁合金在转子铁芯上叠加安装。其次是使用软磁合金材料，在转子和定子铁芯材料当中，可以发现高速异步电机的电子材料上选择软磁合金，钴铁合金是非常合理的，尽管钴铁合金相对较贵，但是在特殊热处理之后，其屈服强度可以达到600mN/m2，具有很好的电磁性能。另外，在高速异步电机运行过程中表现较为优异，当前该种合金还广泛用于航空电机当中。与此同时还有一种全新的材料，也就是非晶态磁性材料。这种磁性材料的电阻是金钛合金材料的3～4倍，而且非常薄，厚度只有0.03毫米到0.05毫米，是一种典型的软磁特性材料。相比于硅钢片，缺点在于机械加工性能较差。饱和磁感应强度和铁芯占空比系数较低，在应用过程中需要将这些问题解决[1]，提升运行的稳定性。

4 对高速异步电机设计中的散热设计

高速异步电机的散热往往和自身的发热息息相关，这对异步电机的工作稳定性有直接影响，因此需要综合化的电机的发热影响因素进行考虑，而该因素主要是使用寿命和绝缘材料的性能决定，也正是如此，高速异步电机散热设计逐步成为当前电机设计过程中的关键点。在后期高速异步电机运行稳定性控制方面具有很大的帮助。当前我国电机企业在进行高速异步电机生产过程中会产生较大的摩擦损耗。摩擦主要来源于空气和转子之间的接触，这部分的摩擦需要重点设计和考虑，合理地进行散热，减少气隙的摩擦，控制转子避免由于摩擦而导致的温度升高。在转轴运行过程中，冷气流可以让异步电机的转子温度降低，达到降温的效果。

与此同时，转子表面的热量也是转子升温而导致的，需要注意加强温升的控制，对于转子运转时和空气摩擦产生的热量，相关电机生产企业需要注意在对空气表面光滑度进行计算的前提下展开相应的控制，光滑的转子表面能够让交换率提高，因此需要注意加强温升的控制，在保证不对电机转轴正常运转发热产生影响的条件下，控制电机的实际大小[2]。

当前市面上主要使用封闭式的散热系统，在高速异步电机散热设计过程中需要使用循环水等附着的方式来进行散热，通过水来带走电子表面的热量，使其处于常温状态，利用该散热系统可以将常温乳化水作为制冷剂，循环在水槽当中流动进行降温，以提升整体的散热效果。

该系统在实际应用过程中需要注意以下几个问题。首先水冷系统会伴随输出功率的升高，源源不断地带走增加的转子损耗热量。其次通过润滑油雾和转子空隙之间进行热交换，可以带走一些水冷系统无法带走的热量。在设计高速异步电机时，需要注意对水冷系统无法对转子损耗散热起根本性作用的问题进行充分考虑，在实际设计过程中尽量保证总损耗为定量的条件下将定制损耗加大，控制转子损耗。另外在散热系统设计过程中需要注意如何保证机械轴承和定子结构之间的温升限度同步到达，如果发现机械轴承和电子系统之间的温升无法同步到达任何一个系统，出现额定温升过高等情况，都会导致高速异步电机运行系统出现故障[3]。

结束语

高速异步电机具有可靠性高、性能卓越等诸多优点。在制造业当中占据非常重要的地位，在各种大型企业当中运用非常广泛，然而高速异步电机运行过程中，转子、轴承等高速运转部件是非常重要的，因此需要重视加强这些部件的设计，学习国内外的先进经验，逐步加强创新，生产出高效的高速异步电机。

参考文献

[1] 邵士良. 一种基于冲片结构的MW级高速永磁风力发电机关键技术的研究[D]. 上海电机学院， 2015.22：136-137.

[2] 陈广勋，王翼翔.高速变频电机开发中的关键技术[J].电机技术，2017，000（005）：117-120.

[3] 徐礼锋， 陈远龙. 高速异步电机设计的部分关键技术研究[J]. 铜陵学院学报， 2006， 005（005）：174-175.