高速异步电机设计探讨

唐永红，胡一明

（1.重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆 401329；2.重庆理工大学，重庆 400050）

高速异步电机设计探讨

唐永红1，胡一明2

（1.重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆 401329；2.重庆理工大学，重庆 400050）

结合高速电机的特点，通过运用有限元联合仿真，从结构设计、通风散热设计、电磁设计等方面进行设计分析计算，确定整机的优化电磁结构。

高速电机； 结构设计； 通风散热； 电磁设计

1 概述

上世纪末以来，由于军用和民用对高速电机的需求越来越多，英美等发达国家竞相开展了对高速电机的研究。高速电机的应用领域也越来越广泛，如高速磨床及其他加工机床，高速飞轮储能系统，天然气输送及污水处理中采用的高速离心压缩机和鼓风机等。近来，随着我国电气系统节能工作的推进，以往通过齿轮箱增速的设备更多向高速电机直联改进，高速电机也越来越受到人们的关注。

高速电机通常是指转速超过10 000 r/min的电机。它具有以下优点：一是由于转速高，所以电机功率密度高，体积远小于同等功率的普通电机，可以有效地节约材料，减小安装空间的限制；二是可直接与原动机相连，取消了传统的增速机构，传动效率高，噪音小，系统成本低；三是由于高速电机转动惯量小，所以动态响应快。

在高速运行情况下，电机的运行特性与常规电机有很大不同，对电机的设计理论和控制技术提出了一系列新的研究课题。我公司近期根据客户要求开发设计了一台高速电机：电机功率200 kW，电压380 V，转速最高18 000 r/min，转矩不低于200 N·m，电机转动惯量小于0.5 kg·m2。本文就此次设计作如下介绍和阐述。

2 高速电机结构设计

2.1 整体结构设计

电机采用开启式箱式结构，由定子、转子、前后端盖、轴承装配等组成电机本体。冷却风机安装于电机正上方，电机整体结构如图1所示。

先根据工程经验初算方案，大致选定三圆尺寸（定子外圆、定子内圆、转子内圆）及铁芯长度，然后通过有限元分析、电磁方案分析等，反复迭代、优化，最终形成可实现的工程方案。

2.2 轴承选取

轴承是高速电机的核心部件，轴承设计时要考虑最大转速、轴向和径向的刚度、机械负载的方向和大小、轴的尺寸、轴承配对、润滑脂牌号及安装方式等因素。在高速电机中，主轴轴承（高精度单列角接触球轴承）的应用比较广泛，因为在高速异步电机有实际机械负载的条件下，这种轴承呈现了很好的速度和刚度的折中。

本例高速电机的轴承选取，通过与轴承供应商的联合计算，综合运行寿命与轴承价格，最终选择的轴承配置方式如表1所示。

表1 高速电机轴承（HS7013-C-T-P4S-UL）配置

2.3 转子设计

由于高速电机转子上的离心力与线速度的平方成正比，高速电机要求具有很高的机械强度;又由于高速电机频率高，铁耗大，在设计时应适当降低铁芯中的磁密，采用低损耗的铁芯材料。

本次设计转轴材料采用φ90 mm的40CrNiMoA合金圆钢，冲片采用厚度为0.35 mm的B35A310宝钢冷轧无取向硅钢片，转子导条采用铸铜方式，并在转子端环径向用去重法校平衡。

2.3.1 临界转速分析

转子临界转速分析，本质为旋转构件在旋转工况下的模态分析，回转构件旋转时产生的回转效应明显修改结构的刚度和阻尼矩阵，因而与自由状态下的模态分析结果有很大的不同。旋转工况带来的主要效应有陀螺效应和旋转软化。对于有支撑的转子系统还要考虑系统的弹性支撑。另外，对于电机来说一般还需要考虑单边电磁力的影响。

行业用的有限元软件有很多，基本能够对构件的模态进行分析，但是很少有软件能够专门考虑构件旋转带来的附加效应，如陀螺效应和旋转软化，必须修改输入文件才能做类似的分析。而某些有限元计算软件能够在UI界面下直接对转子进行临界转速的分析，也能保证一定的精度，例如ANSYS。下面的分析，使用ANSYS完成。

几何建模在inventor中完成，网格划分在hypermesh中完成，使用ANSYS求解器求解。四面体单元为solid185单元，两边的轴承使用combin214单元模拟，轴承刚度使用经验公式估算。建立有限元模型，如图2所示。

图2 有限元模型

计算完成后生成坎贝尔图（见图3），图中斜率为1的斜线与频率曲线的交点即为转子的临界转速点，与最下面的曲线交点为一阶临界转速点，依次往上与第二条、第三条的交点为二阶和三阶临界转速点。此转子结构的一阶临界转速点位为336 Hz，折合成转速为20 160 r/min，一阶转速远远大于零部件的工作转速。

图3 坎贝尔图

2.3.2 离心力作用下转子受力分析

转子受力分析在SolidWorks Simulation中完成，除系统标准材料库外，需自定义B35A310硅钢及40CrNiMoA合金钢的材料参数，见表2。

表2 自定义材料参数

通过建立初算方案的模型，进行仿真计算，并根

2P的冲片三圆尺寸（其中转子冲片内孔落料尺寸为Φ75 mm，铁芯叠压采用内孔键槽，铸铜完成后加工内孔尺寸到Φ82 mm，既消除键槽应力集中，又增加轴的强度）。为了更好地通风散热，采用了1.1 kW的L系列离心通风机L-064，电机气隙增大到2 mm，定子中心高200 mm使出风孔面积加大。在控制总损耗不变的前提下，设计时尽量增加定子损耗，减少转子损耗，缓和转子及轴承散热的压力。

电机机座通风面积校核计算如下所示。

3.1 电机进风面积校核计算

工程经验计算：1 kW的损耗需进风量约为0.030 7 m3。

电磁计算结果如下所示。

为保证散热效果，工程计算进风面积时乘以1.2的系数，则有P损耗＝P损耗（理）×1.2≈8 kW。

需进风量 =P损耗×0.030 7=8×0.030 7=0.245 6 m3。

L-064风机流量=1 600 m3/h=0.444 4 m3/s。

式中，V为转子外圆线速度：

注：该电机额定转速为9 000 r/min，最高转速为18 000 r/min，因电机用作试验设备，最高转速运行时间较短，此处按额定点计算外圆线速度。

3.2 电机出风面积校核计算

该电机出风口采用2个210 mm×130 mm的百叶窗，经验计算中百叶窗利用率一般取65%～75%，则

4 高速电机电磁设计

由于本次设计的高速电机基准频率在150 Hz，达到最高转速180 00 r/min时频率要调到300 Hz，随着频率的提高，铁芯损耗会迅速增加，与普通电机相比，高速电机的铁芯损耗占电机总损耗的比重较大。为了减少铁芯损耗和在低磁场强度下产生高饱和磁通密度，选用了各项性能都较优的厚度为0.35 mm宝钢冷轧无取向硅钢片B35A310。

该电机转速是普通电机转速的3～6倍，在旋转过程中，会产生比较大的离心力，转子材料将承受很大的切向应力。因此，转子采用了铸铜转子。同时，铜的高导电率、转子端环及导条的电流密度取值可适当增加，从而进一步减小铁芯几何尺寸。

转子槽形设计成梨形闭口槽，以减小应力集中，并防止电机高速旋转产生的离心力将电机导条甩出，发生危险。同时，槽形比较光滑可以减少风阻损耗等附加损耗。

电机定子槽形采用现有的Y180-2电机槽形，整套定子设计类似于普通异步电机设计。

电磁参数选取见表3。

表3 电磁方案参数选取

5 结论

本文通过运用有限元联合仿真，从结构设计、通风散热设计、电磁设计等方面进行设计分析计算，确定整机的优化电磁结构。本例设计的最终产品已通过试验验证及用户验收，整机运行情况良好。实践证明，上述方法可快速、准确地完成高速异步电机的设计开发工作。

［1］ 陈世坤.电机设计［M］.2版.北京：机械工业出版社，1997.

［2］ 上海电器科学研究所.中小型电机设计手册［Z］.北京：机械工业出版社，1995.

［3］ 王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究［J］.沈阳工业大学报，2006（3）：258-264.

［4］ 湘潭电机厂.湘潭电机设计手册［Z］.长沙：湖南人民出版社，1987.

［5］ 哈尔滨电机制造学校.电机设计［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［6］ 汤蕴缪，史乃.电机学［M］.北京：机械工业出版社，2004.

A Study on the Design of the High-speed Asynchronous Electric Machine

TANG Yong-hong1，HU Yi-ming2
（1．Chongqing Electric Machine Federation Co., Ltd.，Chongqing 401329，China；2．Chongqing University of Technology，Chongqing 400050，China）

Based on the characteristics of the high-speed electric machine，by means of the finite element co-simulation，this article introduces the design，analysis and calculation in the aspects of the structural design，the ventilation and cooling design and the electromagnetic design，to determine the optimized electromagnetic structure of the complete machine．

high-speed electric machine；structural design；ventilation and cooling；electromagnetic design

TM343

A

1008-8032（2015）06-0013-04

2015-02-06

该文获重庆市电机工程学会2014年学术年会优秀论文一等奖

唐永红（1983-），工程师，研究方向为高速电机及高效电机。