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科学瞎想系列之四十九 低速电机为什么那么难搞

高速和低速电机都是为适应直驱要求而生的,刚说完高速电机难搞,宝宝们可能会以为低速电机好搞,错!低速电机同样也不是那么好玩的。关于低速电机的定义与上一篇高速电机类似。那么低速电机又难在哪儿呢?从理论上讲同样功率的电机转速越低体积重量就越大,对于大功率的低速电机最大的问题就是一个字----大!因此我们就说说这个"大"给电机的设计、制造、运输、安装带来的麻烦。

1 首先说体积重量大,究竟有多大?大家都知道水电站里的水轮发电机比火电厂里的汽轮发电机转速低很多,因此水轮发电机属低速电机,你知道三峡水电站的水轮发电机有多大吗?告诉你它的定子机座外径达21.4米,转子直径18.8米,仅转子加上吊装设备总重近2000吨。先不说它怎么设计制造,如此庞然大物运输就是个大问题。所以设计这种电机的宝宝们不是首先考虑怎么做电磁设计、结构设计、绝缘设计、冷却设计等等,而是首先根据安装地点和制造地点,去考察调研运输沿途的道路、桥梁、隧道、码头、车辆、船舶等等交通运输设施。根据这些来设计电机满足运输安装条件。当然如此大的电机不可能做成整机运输,需要把它们拆解做成分瓣的部件来运输,到现场再拼接起来,这就需要在设计时就得想到后续的拼接装配。现场拼接完成后还要制造专门的吊装设备来完成吊装。说三峡发电机似乎有点太极端,毕竟世界上只有一个三峡,毕竟从事三峡发电机设计制造的宝宝们不是很多。那我们再说说批量比较大的风力发电机,目前风力发电领域主流的技术路线有两种,一种是没有齿轮箱的所谓直驱路线,另一种是带有增速齿轮箱的双馈或高速永磁或鼠笼异步发电机,与后者相比,直驱发电机的转速极低,大约为每分钟十几到二十几转,属低速发电机,以2兆瓦风力发电机为例,一台2兆瓦的高速风力发电机只有7吨左右,而一台直驱2兆瓦的风力发电机要50多吨重,据说某做直驱风力发电机的公司把自己生产的直驱风力发电机从新疆运输到北京,沿途过一个收费站就要拆除一个,等过去后再恢复,一路走来运输费用极其昂贵。

2 说完运输安装的事,接下来进入正题说说低速电机设计的事,任何电机设计首先是电磁设计,这个老师就不多啰嗦了,老师重点说说低速电机在力学方面需要注意的地方。低速电机多为短粗型,即长度短、直径大,看起来像个饼型,加之各零部件重量大,虽然转速低,但旋转起来的离心力并不小,这就需要对转子结构及其零部件的紧固强度做详细的校核计算。另外由于转速低,转矩必然就大,这也对相关的定转子结构和零部件提出了很高的要求,如转轴、键及键槽、各种受力部位的配合过盈量、各种筋板和支撑结构、安装底脚结构、转子磁极及绕组的紧固结构、磁钢紧固结构等各细节结构都要进行精确的校核计算。根据电机的不同结构特点,必要时要将自重、旋转离心力、切向扭矩以及径向电磁力、甚至考虑运行时各零部件的温差产生的不同热胀冷缩等因素综合进行多物理场耦合仿真计算。除了上述力学计算以外,冷却系统的设计计算也不容忽视,低速电机由于转速很低,往往不能靠自身轴带风扇进行冷却,必须依靠另外的强迫风机或水套机壳进行冷却,这就涉及到风路、水路等流场计算和温度场计算。必要时进行电磁场、流场、温度场联合仿真计算。

3 关于轴承。低速电机由于转子重量较大,需要轴承的承载能力较大,如果说高速电机受轴承的dn值限制,那么低速电机就会受轴承的载荷限制,通常低速电机的轴承会比较大,是成本构成不可忽视的因素,有的低速电机转速低到数分钟甚至数十分钟一转,过低的转速转子重量更大,且由于转速过低轴承很难建立润滑油膜,容易造成干摩擦损害轴承,过重的转子需要采用静压浮动轴承以帮助建立油膜。另外低速电机通常需要通过变频器供电,容易产生较高的轴电压,为防止轴电流对轴承造成损害,轴承还需要进行绝缘处理,有关轴承绝缘的事比较复杂,老师会在以后的瞎想中专门说这个事。

4 性能方面。转速过低的电机一般不宜采用异步电机,因为低速的异步电机功率因数会很低,其原因一是由于转子重量大,出于机械安全的考虑需要设计更大的气隙; 二是低速电机通常极数很多,极距较短,要在较大的气隙中建立足够大的气隙磁场,需要很大的励磁磁势,加之极距较短,因此励磁电流会很大,所以低速异步机的功率因数会很低(关于这一点详见瞎想系列之八)。由于以上原因,低速电机多以同步电机为主,为了减小电机的体积重量,也为了提高电机效率,低速电机通常采用永磁同步电机(并网运行的水轮发电机除外)。需要特别指出的是,同功率的电机,低速电机的效率要比中高速电机低一些,其原因是由于低速电机体积较大,所用铜材和铁磁材料比中高速电机多得多,在电密和磁密相同情况下,单位体积(重量)产生的铜耗和铁耗是基本一样的,但由于低速电机所用铜和铁较多,所以总损耗较大,效率较低,当然有些低速电机频率也低一些,这多少可以抵消一些铁耗的增加,但补偿效果有限。在绝缘方面,同等电压等级的电机绝缘的厚度相同,但由于低速电机尺寸较大,所需绝缘的面积较大,导致绝缘电阻较低,绕组对地的电容也较大。所以低速电机的绝缘处理要特别讲究。

5 加工制造方面。低速电机个头大,所需的加工设备也会很大,设备价格昂贵,一般没有那些"金刚钻"的厂家还真干不了这"瓷器活"。

6 最后再说说控制。低速电机多用变频器来控制,转速过低时变频器输出频率也会很低,就会出现换相周期过长的情况,这就意味着某几个功率器件长时间工作而其它器件"休息",过较长的时间才能换相,就好像让你长时间连续工作,然后将一年的假期集中休假一样,也许宝宝们巴不得这样攒出假期去旅游呢,但那些IGBT宝宝们可不喜欢这样,这容易造成"忙"时过热,"闲"时过冷,器件温度大幅波动,影响寿命。另外由于基频较低,相应的谐波频率也会较低,使得滤波困难,滤波器件体积很大。还有就是电机在很低转速运行时控制比较困难,容易出现转矩波动,这都是低速电机遇到的特殊问题。

刚说完高速电机难搞,现在又说低速电机难搞,这还有好搞的东东吗?有!普通的电机相对要难度小很多,所以在电机圈子里搞普通电机的多如牛毛,而搞高速和低速电机的却凤毛麟角,还是那句话,木有金刚钻揽不了这瓷器活。

哇靠!这难搞那难搞,这是要把瞎想系列改成难搞系列的节奏吗!

本文分享自微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e),作者:龙行天下

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原始发表时间:2017-05-05

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