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高速電機轉子結構

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文章出處: 責任編輯: 發表時間:2015-07-21 10:40:03

 轉子通常稱為電樞。作用是產生電磁轉矩和感應電動勢,由電樞鐵心和電樞繞組,換向器,軸及風扇等組成。轉子設計是高速永磁電機設計的關鍵。在高速永磁發電機的設計中,永磁轉子結構成為首選。但是,它也有不可避免的缺點:永磁體不能承受巨大的離心力,必須采用一些高強度材料來?;?。此外,高溫下容易引起永磁體退磁,所以設計時要防止轉子過熱。

(1)電樞鐵心:提供主極下磁通的通路。通常用低硅硅鋼片或冷軋硅鋼片疊成,片間涂絕緣漆以減少損耗。
(2)換向器:換向器是電動機的整流部分,它是用來向旋轉電樞供電和向各段繞組分配電流的。電樞繞組內流過的是交變電流,而外電路是直流電,換向器即是將電源提供的直流電轉換為電樞繞組中的交變電流,使電動機工作時始終按一個方向連續旋轉。
(3)電樞繞組:電樞繞組是用帶絕緣的銅導線繞成一個一個的線圈元件,嵌放在電樞鐵心的槽中,各元件按一定的規律聯結到相應的換向片上,全部這些元件就組成了電樞繞組。元件可能是多匝的,也可能只有一匝。每個元件可預先做成相同的形狀,嵌放在槽中時可以彼此錯開。繞組導線的截面積決定于元件內通過電流的大小。除了每層導線上都包有絕緣外,每層的各元件邊外面還包有絕緣,上下層之間有絕緣墊片,最外用楔將元件壓住,以免轉動時元件因離心力而甩出。繞組元件被嵌放在電樞鐵心的槽內,它的一個元件邊被放在槽的上層,另一邊嵌放在另一槽的下層,同一槽內上下二層放置了不同元件的有效邊。電樞繞組可分為:單疊繞組、單波繞組、復疊繞組、復波繞組、混合繞組等。它們的主要區別在于從電刷外看進去,電樞繞組聯結成了不同數目的并聯支路。
(4)永磁材料的選擇  衡量永磁材料的好壞,主要是根據它的剩磁磁密Br,矯頑力Hc,最大磁能積(BH)max和回復系數以及機械加工性能和穩定性等。
目前國內外高速電機所采用的磁鋼大致分三類:
第一類是鋁鎳鈷系磁鋼。鋁鎳鈷是本世紀三十年代研制成功的永磁材料,主要成分是鐵、鋁、鎳、鈷。雖其具有剩磁感應強度高,機械強度良好,熱穩定性好等優點,但它矯頑力低,抗退磁能力差,而且要用貴重的金屬鈷,成本高,這些不足大大限制了它在電機中的應用。
第二類是鐵氧體永磁材料。鐵氧體磁體是本世紀五十年代初開發的永磁材料,它是非金屬的,包含氧化鋇和氧化鐵或氧化鍶和氧化鐵,由粉末加壓燒結成型。其最大的特點是價格低廉,有較高的矯頑力,不易失磁,其不足是剩磁感應強度和最大磁能積都較低。
第三類是一些稀土合金。釤鈷稀土磁材料在六十年代中期問世,它具有鋁鎳鈷一樣高的剩磁感應強度,矯頑力比鐵氧體高,但釤稀土材料價格較高。80年代初釹鐵硼稀土永磁材料的出現,它具有高的剩磁感應強度,高的矯頑力Hc,高的磁能積(BH)max,這些特點特別適合在電機中使用。它們不足是溫度系數大,居里點低,容易氧化生銹而需涂復處理。經過這幾年的不斷改進提高,這些缺點大多已經克服,現釹鐵硼永磁材料最高的工作溫度已可達180℃,一般也可達150℃,已足以滿足絕大多數電機的使用要求。我國稀土蘊藏量很大,具有更高性能的稀土永磁材料還在不斷被研制出來。永磁材料的發展極大地推動了永磁電機的開發應用。
(5)永磁體的?;? 高速電機選用的是燒結釹鐵硼永磁材料,這種永磁材料能承受較大的壓應力(1000mpa),但不能承受大的拉應力,其抗拉強度一般低于抗壓強度的十分之一。如果沒有?;ご朧?,永磁體將無法承受轉子高速旋轉時產生的巨大離心力而被破壞。
目前?;び來盤宓拇朧┯辛街鄭閡恢直;し椒ㄊ遣捎錳枷宋笤來盤?;另一種是在永磁體外加非導磁?;ぬ?。  采用碳纖維綁扎時綁扎帶的厚度要小,而且不產生高頻渦流損耗。但是碳纖維綁扎工藝比較復雜。為了屏蔽氣隙磁場中的高次諧波,減少永磁體中的磁滯損耗,一般需要在永磁體表面放置一層薄銅片,這就進一步增加了對加工工藝的要求,而且不利于轉子動平衡,碳纖維是熱的不良導體,這對永磁體的散熱不利。  采用非導磁?;ぬ椎姆椒?,根據永磁體抗壓性能遠大于抗拉性能的特點,永磁體與護套之間采用過盈配合,即對靜態的永磁體施加一定預壓應力,以抵消高速旋轉時離心力產生的拉應力,并保證永磁體在轉子高速旋轉時始終承受適當的壓應力。非導磁?;ぬ啄芄歡愿咂蕩懦∑鸕揭歡ǖ鈉簾巫饔?。導熱性能好,有利于永磁體的散熱,但護套為導體,會產生渦流損耗。
(6)極數的選擇  高速電機一般采用2極或4極結構,各有優缺點。2極電機的優點是轉子永磁體可采用整體結構,保證轉子經向各同性有利于轉子的動態平衡,同時可減少定子繞組電流和鐵心中磁場的交變頻率,有利于降低高額附加損耗。2極電機的缺點是定子繞組端部較長而鐵心軛部較厚。4極電機剛好與2極電機相反,優點是定子繞組端部較短和鐵心軛部較薄,缺點是永磁轉子需要多塊永磁體拼接,這就降低了轉子的剛度,同時定子繞組電流和鐵心中磁場的交變頻率較高,增加了鐵耗。本設計中采用的是4極結構。在直流電動機中,電樞反應磁動勢對前半極增強,對后半極去磁。對于單向旋轉的永磁電機,前半極的部分或全部可采用性能較低的而價格便宜的永磁材料,如鐵氧體永磁材料或者使用軟鐵;后半極采用高性能永磁材料,如釹鐵硼永磁,就是所謂的復合磁極結構。其優點是:可以保證電機性能的前提下,減少永磁材料的用量,降低電機的成本。(7)轉子的直徑和長度的選擇 高速永磁電機的轉速很高,一般在20000r/min以上,甚至高達十幾萬轉,轉子旋轉時將產生很大的離心力。以減小離心力角度來看,高速電機轉子直徑應選得越小越好,所以高速電機轉子一般為細長型。然而轉子要有足夠大的空間放置永磁體和轉軸,因此,轉子直徑不可過小。而且為了保證轉子具有足夠的剛度和較高的臨界轉速,轉子軸向不可過長。特別是采用磁懸浮軸承的高速電機轉子,為了減小跨越臨界轉速時磁懸浮控制的難度,應采用適當的轉子長徑比。 
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