高速電機(jī)行業(yè)市場發(fā)展分析

2015年高速電機(jī)行業(yè)市場發(fā)展分析高速電機(jī)通常是指轉(zhuǎn)速超過10000r/min的電機(jī)。它們具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是由于轉(zhuǎn)速高，所以電機(jī)功率密度高，而體積遠(yuǎn)小于功率普通的電機(jī)，可以有效的節(jié)約材料。二是可與原動機(jī)相連，取消了傳統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)，傳動效率高，噪音小。三是由于高速電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量小，所以動態(tài)響應(yīng)快。隨著我國工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展,資源和環(huán)境開始約束工業(yè)化進(jìn)程,高耗能、高排放的工業(yè)發(fā)展模式已經(jīng)難以為繼,我國的工業(yè)增長方式向資源節(jié)約型和生態(tài)環(huán)保型轉(zhuǎn)變。受國際金融危機(jī)影響,我國經(jīng)濟(jì)增速放緩,客觀上為我國工業(yè)加速向新型工業(yè)化轉(zhuǎn)型提供了較好的機(jī)遇。我國工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)升級、節(jié)能降耗帶來的新型工業(yè)化建設(shè)項(xiàng)目需要大量與之相適應(yīng)的效率高、單位容量大的電機(jī)進(jìn)行配套,為電機(jī)行業(yè)提供了更廣闊的發(fā)展空間。電機(jī)行業(yè)的興起也引爆了資本市場。最近出爐的大洋電機(jī)等10家電機(jī)企業(yè)的半年報(bào)顯示，80%企業(yè)的凈利潤都是正增長的。除了老牌企業(yè)，越來越多的新進(jìn)入者也想分一杯羹，上半年，傳統(tǒng)汽車零部件企業(yè)紛紛以參股或收購的方式進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域?？焖俜帕康氖袌鰩恿诵履茉窜嚵悴考纳a(chǎn)，其中，以電機(jī)行業(yè)的表現(xiàn)最為搶眼。專家預(yù)測，按新能源汽車的產(chǎn)業(yè)規(guī)模測算，預(yù)計(jì)2020年，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的需求將達(dá)500到1000億元。電機(jī)是新能源車最核心的部件之一，相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機(jī)。高速永磁電機(jī)高速電機(jī)的研究目前正在成為國際電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。由于轉(zhuǎn)速高,電機(jī)的功率密度大,其幾何尺寸遠(yuǎn)小于輸出功率相同的中低速電機(jī),可以有效地節(jié)約材料;由于高速電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量較小,所以動態(tài)響應(yīng)較快;高速電機(jī)可與原動機(jī)或負(fù)載直接相連,省去了傳統(tǒng)的機(jī)械變速裝置,因而可減小噪音和提高傳動系統(tǒng)的效率。特別是永磁電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單,力能密度高、無勵(lì)磁損耗和效率高等優(yōu)點(diǎn),最適合用于中、小型高速發(fā)電機(jī)。1.高速永磁電機(jī)定子損耗和溫升研究[博士]孔曉光沈陽工業(yè)大學(xué)2011.8 研究內(nèi)容：針對高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，采用磁場、流體場和溫度場相結(jié)合的分析方法對高速電機(jī)的損耗、溫升和散熱問題進(jìn)行了研究，樣機(jī)采用7500W，60000r/min的高速電機(jī)， 主要應(yīng)用場合：高速電動機(jī)在空調(diào)的離心式壓縮機(jī)、飛輪儲能、紡織、高速磨床等應(yīng)用場合，且會越來越多。高速發(fā)電機(jī)由于其體積小、高功率密度和高可靠性在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。高速永磁電機(jī)在高速磨床、真空泵、摩擦焊接機(jī)及污水處理中得到了廣泛的應(yīng)用。高速電機(jī)主要研究熱點(diǎn)：高速電機(jī)非線性數(shù)學(xué)模型的建立。噪聲和振動問題的研究。定轉(zhuǎn)子損耗（銅耗，鐵耗）和冷卻系統(tǒng)研究。2.電機(jī)的機(jī)械和電磁特性研究[博士]王繼強(qiáng)沈陽工業(yè)大學(xué)2006.10研究內(nèi)容：高速永磁電機(jī)的機(jī)械與電磁特性及其關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)制造了一臺額定轉(zhuǎn)速為60000r/min，額定功率為7500W的樣機(jī)。 高速電機(jī)主要應(yīng)用場合：1.空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機(jī)、儲能飛輪、紡織、高速磨床等諸多應(yīng)用場合。 2.在混合動力汽車、航空、船舶等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景,隨著混合動力汽車的發(fā)展,高速發(fā)電機(jī)將會廣泛應(yīng)用于軍工領(lǐng)域。3.在分布式發(fā)電系統(tǒng)中具有廣闊的發(fā)展前景。由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的高速發(fā)電機(jī)體積小,具有較高的機(jī)動性,可用于醫(yī)院、賓館及其它重要設(shè)施的備用電源,也可作為獨(dú)立電源或小型電站,彌補(bǔ)集中式供電的不足,具有重要的實(shí)用價(jià)值。高速電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：美國麻省理工學(xué)院的電磁和電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研究的SMW高速感應(yīng)發(fā)電機(jī)。德克薩斯州立大學(xué)機(jī)械電子中心用于先進(jìn)機(jī)車推進(jìn)系統(tǒng)的3MW高速同步發(fā)電機(jī)和高速感應(yīng)飛輪電機(jī)。英國TurboGenset公司推出的以1.2MW高速永磁發(fā)電機(jī)為核心的新型移動電站。英國燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備有限公司，專門從事開發(fā)研制燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的高速發(fā)電產(chǎn)品。他們研制出一種盤式結(jié)構(gòu)高速永磁發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子由一個(gè)或多個(gè)同軸的圓盤構(gòu)成,圓盤內(nèi)是軸向磁化的永磁體,定子也是由一個(gè)或多個(gè)圓盤構(gòu)成,盤內(nèi)是定子繞組。轉(zhuǎn)子盤和定子盤交錯(cuò)排列,具有較高的效率和強(qiáng)度。國內(nèi)對高速電機(jī)的研究還處于起步階段,有關(guān)高速電機(jī)溫升計(jì)算方面的文獻(xiàn)資料很少。轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的準(zhǔn)確計(jì)算和動力學(xué)分析是高速電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，但國內(nèi)學(xué)者對高速電機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析研究較少。高速開關(guān)磁阻電機(jī)1.開關(guān)磁阻電機(jī)在新能源領(lǐng)域的若干應(yīng)用研究[碩士]王曉明浙江大學(xué)2015.3主要應(yīng)用領(lǐng)域：新能源汽車：目前,在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),新能源汽車已經(jīng)得到了較大力度的推廣和扶持。以杭州為例,眾泰、比亞迪等新能源汽車廠商生產(chǎn)的純電動公交車和純電動出租車正在改造整個(gè)城市的公共交通系統(tǒng),對新能源汽車不限購的政策扶持也使得私人購買領(lǐng)域逐漸興起。新能源汽車的發(fā)展促使電機(jī)制造、充電設(shè)施、動力電池等電氣上下游領(lǐng)域也迎來一波難得的發(fā)展機(jī)遇。光伏水泵：為了解決供電、供水困難的問題,一般利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源,使用太陽能電池板對水錄的驅(qū)動馬達(dá)進(jìn)行供電。這類系統(tǒng)通常包括光伏陣列、水源、儲水容器以及馬達(dá)系,一般稱之為光伏水系。光伏水泵通過太陽能直接驅(qū)動,具有較高的經(jīng)濟(jì)性,目前已經(jīng)在亞非拉和中東等發(fā)展中國家和貧困地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用h由于光伏水泵涉及到了能量變換、電機(jī)控制、電力電子、機(jī)械設(shè)計(jì)等跨學(xué)科、多維度的技術(shù),集光、電、機(jī)于一體,因而也被許多國家列為技術(shù)優(yōu)先發(fā)展對象,是新能源領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向?，F(xiàn)階段研究現(xiàn)狀：1.新能源汽車研究現(xiàn)狀：加強(qiáng)新能源汽車關(guān)鍵核心技術(shù)研究,需要在驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、動力電池系POWERTHRU重型車0.667190/506932.4352,500飛輪儲能用高速永磁電機(jī)研究現(xiàn)狀：目前飛輪儲能用高速電機(jī)主要有感應(yīng)電機(jī)、磁阻電機(jī)、永磁電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)各有缺陷，永磁電機(jī)以其高功率密度、高效率的優(yōu)點(diǎn)，可以運(yùn)行在較高的轉(zhuǎn)速，因此得到了廣泛應(yīng)用。美國LawrenceLivermore國家實(shí)驗(yàn)室對比了外轉(zhuǎn)子傳統(tǒng)充磁方式與Halbach結(jié)構(gòu)電機(jī)在飛輪系統(tǒng)中的各項(xiàng)性能，指出Halbach結(jié)構(gòu)電機(jī)的空載損耗是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/10。Halbach結(jié)構(gòu)因其特別的充磁方式，產(chǎn)生一個(gè)單邊磁場，即使在定子或轉(zhuǎn)子無鐵心的情況下，也可以得到較高的氣隙磁密，這種結(jié)構(gòu)消除了高速電機(jī)的空載鐵耗和不平衡磁拉力，而且保證了電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，在飛輪儲能系統(tǒng)中具有獨(dú)特的優(yōu)越性。英國謝菲爾德大學(xué)的D.Howe等人將Halbach結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子無鐵心高速永磁電機(jī)用于飛輪系統(tǒng)中，該系統(tǒng)用于電動汽車的峰值功率緩沖。韓國忠南大學(xué)的Seok-MyeongJang等人對飛輪儲能用的高速PMSM做了大量的研究，在2006年研究了一臺高速永磁同步電機(jī)如下圖1所示，二極轉(zhuǎn)子由多塊永磁體拼接而成，采用整體充磁方式，定子采用的是無槽的環(huán)形繞組形式。這種繞組形式有效地將電機(jī)繞組軸向端部轉(zhuǎn)移到定子鐵心軛部，使電機(jī)軸向長度縮短，解決了整數(shù)槽電機(jī)端部過長的問題。沈陽工業(yè)大學(xué)的王鳳翔教授提出了一種有利于提高冷卻效率和增加轉(zhuǎn)子剛度的定子環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)，冷卻氣流直接通過內(nèi)外通風(fēng)道，冷卻定子繞組，提高了冷卻效率?，F(xiàn)已成功研制了磁懸浮軸承支撐如圖2所示的75kW，60000rpm高速永磁電機(jī)。圖1圖2高速永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀：轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度及動力學(xué)研究：轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算及動力學(xué)研究是高速轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的主要研究方向，國內(nèi)外已有學(xué)者對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動力學(xué)做了大量的研究。BinderA在對一臺功率為40kW，最高轉(zhuǎn)速為48000rpm電機(jī)的研究中，對比了兩種不同極弧系數(shù)的表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度，得出極弧系數(shù)為1的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比極弧系數(shù)為0.87的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有更好的機(jī)械強(qiáng)度，作者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明永磁體極弧系數(shù)小于1時(shí)，在相鄰永磁體區(qū)間，保護(hù)套不僅存在拉應(yīng)力還存在彎曲應(yīng)力，承受的應(yīng)力較大，為了使電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)不遭受損壞，作者提出在永磁體極間填充一種非磁性材料。高速永磁電機(jī)的損耗：定子鐵心損耗在電機(jī)總損耗中占絕大多數(shù)。目前計(jì)算鐵心損耗的方法主要有：1）經(jīng)典損耗分離模型；2）橢圓旋轉(zhuǎn)模型；3）正交分解模型。為了減小定子損耗，黃允凱在發(fā)表的《高速永磁電動機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題》期刊中提出讓電機(jī)繞組一般采用多股導(dǎo)線并繞方式，也有國外學(xué)者利用有限元法計(jì)算了多股并繞導(dǎo)線在高速感應(yīng)電機(jī)中的銅耗，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，交流銅耗是繞線直徑、并繞根數(shù)和頻率的函數(shù)，且靠近槽開口的導(dǎo)線損耗最大，并針對鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的渦流附加損耗問題，得出利用Litz線纏繞能夠有效的減小繞組渦流損耗。湯平華在發(fā)表的期刊《定子無鐵心飛輪電機(jī)繞組渦流損耗分析》中針對無鐵心的飛輪電機(jī)繞組渦流損耗進(jìn)行分析，繞組采用Litz線纏繞，由環(huán)氧樹脂澆注固定，建立了圓形導(dǎo)線在正弦交變磁場中的渦流損耗計(jì)算模型，并通過停機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。通過分析轉(zhuǎn)子渦流損耗的計(jì)算模型，可以很快知道各影響因素所占的比例，因此研究的重心落在了削弱轉(zhuǎn)子渦流損耗上，主要分為3種方法：永磁體分塊技術(shù)，利用導(dǎo)電屏蔽層屏蔽高頻諧波磁場以及改變定子結(jié)構(gòu)。電機(jī)的溫升計(jì)算和散熱技術(shù)：在電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，永磁體的性能、繞組的電阻以及繞組間的絕緣等都與溫度密切相關(guān)，電機(jī)的溫升計(jì)算是高速電機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。等效熱路法是快速計(jì)算電機(jī)溫升的一種有效方法，有學(xué)者利用等效熱路法專用軟件MOTOR-CAD建立了表貼式永磁電機(jī)的熱網(wǎng)絡(luò)圖，不僅考慮了端部繞組損耗、電機(jī)端蓋散熱，還包括自然對流、輻射和傳導(dǎo)等散熱方式，給出了一個(gè)精確度較高的模型。提高電機(jī)的冷卻散熱能力是控制電機(jī)溫升的主要方法之一。對于高功率的密度的電機(jī)多采用的強(qiáng)迫冷卻方式，目前針對高速電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱的研究很少，大多數(shù)都集中在降低轉(zhuǎn)子渦流損耗和風(fēng)摩損耗，通過控制熱源，來改善轉(zhuǎn)子散熱條件。。高速無刷直流電機(jī)1.高速無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制系統(tǒng)研究[碩士]駱傳旺東大2014.1高速直流無刷電機(jī)由于速度高、體積小、功率密度大、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在渦輪增壓器、航空航天測試平臺及高速加工領(lǐng)域（如高速磨床、高速銑床）、醫(yī)療設(shè)備等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為高速電機(jī)設(shè)計(jì)的首選。國內(nèi)高速直流無刷電機(jī)的研究還處于起步階段，高速電機(jī)驅(qū)動器的市場一直被國外公司壟斷，這篇文章主要針對高速磨床的主軸電機(jī)的驅(qū)動器進(jìn)行研究。高速無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制已經(jīng)成為高速電機(jī)控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)。無位置傳感器的高速無刷直流電機(jī)省去了位置傳感器的安裝、維護(hù)，適合工作在高溫、高濕或?qū)﹄姍C(jī)尺寸有嚴(yán)格要求的環(huán)境之中。本課題研究的驅(qū)動器用于控制高速磨床主軸電機(jī)，電機(jī)額定功率4KW，額定電流18A，額定轉(zhuǎn)速50000r/min。高速無刷直流電機(jī)研究現(xiàn)狀：目前研究熱點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩波動的抑制，控制算法，無位置檢測技術(shù)，弱磁調(diào)速等。其中置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)中，目前技術(shù)比較成熟的有反電動勢法，續(xù)流二極管法，電感法、磁鏈觀測法、狀態(tài)觀測器法。其中反電動勢法包括相電壓反電動勢檢測法、反電動勢三次諧波法、反電動勢積分法。相電壓反電動勢檢測法：優(yōu)點(diǎn)——易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)——需要額外的電機(jī)起動策略，調(diào)速比差。反電動勢三次諧波法：優(yōu)點(diǎn)——調(diào)速比大，相位延遲小，不受續(xù)流二極管導(dǎo)通角的影響；無法實(shí)現(xiàn)電機(jī)自起動。反電動勢積分法：優(yōu)點(diǎn)——門限值與電機(jī)速度無關(guān)，易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的超前換相和滯后換相；誤差累積和門限值設(shè)置比較困難。 國內(nèi)外主要研究成果：1.浙江大學(xué)的楊杰針對無刷直流電機(jī)無傳感器控制提出了一種改進(jìn)型的反電動勢檢測電路，該電路不會帶來轉(zhuǎn)速變化引