突破極限：高速電機的五大技術(shù)挑戰，你準備好了嗎？

Mai-邁

在體積更小、功率更高追求驅動(dòng)下，電機的轉速一路攀升，從早期的兩三千轉，一直攀升到幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)轉，更高的轉速使得功率密度和原材料利用率提高。因此高轉速是強趨勢，以新能源驅動(dòng)為例，豐田Prius推出的第一代產(chǎn)品最高轉速才6000 r/min，到第四代產(chǎn)品轉速達到17000 r/min。本期我們用更高的視角去看看轉速電機的應用場(chǎng)合及背后的關(guān)鍵技術(shù)�！�

高速、超高速的應用前景廣闊但同時(shí)給電機帶來(lái)了極高的挑戰，我們將這些問(wèn)題合并同類(lèi)項后發(fā)現有六大類(lèi)：散熱、選型、轉子結構、振動(dòng)噪音、高效設計、軸承。

一、散熱的問(wèn)題

  電機損耗隨轉速幾何級數提高，高損耗產(chǎn)生的熱使得電機溫升極速提升，為維持高速運行，必須設計散熱良好的冷卻方式。我們能看到常見(jiàn)的高速電機冷卻方式為：

“內強迫風(fēng)冷”如下圖所示，強冷風(fēng)能夠直接吹入電機內部帶走繞組和鐵芯上的熱量，這種方式一般出現在空壓機、鼓風(fēng)機、飛機電機這類(lèi)本來(lái)就有強風(fēng)可利用的場(chǎng)合

“內油冷”在電機必須封閉防護，或者無(wú)強風(fēng)的應用環(huán)境中，采用最多的是內油冷方式，比如AVL設計的高速電機采用的定子槽內油冷的方式的組合。有些電機也采用繞組噴油冷卻+定子油冷+轉子油冷等多種方式的組合。

為了實(shí)現高功率密度、發(fā)熱和冷卻是高速電機必須要面對的重要問(wèn)題。

二、電機選型問(wèn)題

  永磁電機還是感應電機？還是開(kāi)關(guān)磁阻等其它類(lèi)型的電機，高速電機種類(lèi)的選擇一直是一個(gè)沒(méi)有標準答案的問(wèn)題。一般從功率密度和效率的角度出發(fā)，選擇永磁電機比較有優(yōu)勢，而從可靠性出發(fā)選擇感應電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機。但因為振動(dòng)噪音較大，開(kāi)關(guān)磁阻的應用較少。

三、轉子結構的問(wèn)題

  高速電機的轉子結構必須要克服的離心應力，一般在“高速”的范圍內采用金屬護套、轉子本身結構（如Ipm的魚(yú)骨架、IM的轉子結構）等，而在“超高速”的范圍內采用碳纖維纏繞，或者干脆將轉子做成實(shí)心一體結構，如儲能飛輪的電機。

大多數永磁高速電機采用的是轉子護套的結構，此類(lèi)設計也非常講究，即要保護永磁體，又要防止護套失效。因此要盡量避免出現應力集中的情況，如下圖所示，若磁鋼不填滿(mǎn)整個(gè)圓周，則會(huì )在護套和磁鋼上都出現應力集中，這也就是為什么高速永磁電機都采用完整圓環(huán)磁鋼的原因，如果做不成完整圓環(huán)也采用填充物將圓周填滿(mǎn)。

四、震動(dòng)噪音的問(wèn)題

  振動(dòng)噪音的問(wèn)題是高速電機一大攔路虎。相比普通電機，即有轉子動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題，比如轉子的臨界轉速問(wèn)題，軸的偏擺振動(dòng)問(wèn)題。也有高頻電磁力產(chǎn)生的嘯叫問(wèn)題，高速電機的電磁力頻率更高，分布范圍更廣，極易激起定子系統共振。

  為了避免臨界轉速振動(dòng)，高速電機的轉子設計非常關(guān)鍵，需要作嚴格的模態(tài)分析和測試。在設計時(shí)需要將長(cháng)徑比作為優(yōu)化變量：轉子設計過(guò)粗短，能夠提高臨界轉速的上限，不易發(fā)生共振，但轉子克服離心應力的難度會(huì )增加。反過(guò)來(lái)轉子設計的細長(cháng)，離心強度問(wèn)題改善，但臨界轉速下移，出現共振概率提高，而且電磁功率也會(huì )隨之下降。因此轉子的設計需要反復平衡，是高速電機設計的重中之重。

五、高效的問(wèn)題

  電機損耗隨轉速幾何級數提高， 高損耗使得電機效率快速衰減，為了實(shí)現高效，必須治理好各類(lèi)損耗。以鐵耗為例，為了降低渦流損耗，一般采用0.10 mm、0.08 mm的超薄硅鋼片。超薄片能夠降低渦流損耗但改善不了磁滯損耗，因此超薄片的鐵耗磁滯損耗占大頭，而普通片中渦流損耗占大頭。改善磁滯損耗，可以從下面三條路子出發(fā)：

  1.優(yōu)化磁路設計提高磁場(chǎng)正弦性、降低諧波鐵耗；

  2.降低磁負荷、增加熱負荷，降低基波鐵耗；

  3.從材料選型出發(fā)，選擇磁滯損耗較小的硅鋼片。

  高速電機中頻率最高的磁場(chǎng)成分是由變頻器的PWM載波導入的，因為脈沖調制的工作原理不可避免的出現高頻電流諧波，這些電流又進(jìn)一步產(chǎn)生出了高頻磁場(chǎng)，高頻磁場(chǎng)滲透入磁鋼、定轉子表面產(chǎn)生高頻損耗。有些高速電機采用多電平驅動(dòng)結構來(lái)改善PWM邊頻帶諧波。

六、軸承的問(wèn)題

  高速電機的軸承選擇是關(guān)鍵的問(wèn)題，一般有磁懸浮、空氣軸承、滑動(dòng)機械軸承、滾珠機械軸承四大類(lèi)可以選型。磁懸浮軸承應用在較大功率的場(chǎng)合，空氣軸承應用在功率和尺寸較小的場(chǎng)合。機械軸承往往需要油潤滑，在很多無(wú)油應用中受限制。

  高速電機的軸承選擇是關(guān)鍵的問(wèn)題，一般有磁懸浮、空氣軸承、滑動(dòng)機械軸承、滾珠機械軸承四大類(lèi)可以選型。磁懸浮軸承應用在較大功率的場(chǎng)合，空氣軸承應用在功率和尺寸較小的場(chǎng)合。機械軸承往往需要油潤滑，在很多無(wú)油應用中受限制。

  本文介紹了高速電機的八大類(lèi)應用和六種關(guān)鍵技術(shù)�？偟膩�(lái)說(shuō)高速電機是一種前景廣泛，技術(shù)挑戰極高的應用。有些技術(shù)看起來(lái)離我們很遠，但從發(fā)展的角度我們能夠看到“淺高速-中高速-超高速-超超高速”的脈絡(luò )一直在演進(jìn)。相比十年前，如今一兩萬(wàn)的轉電機已經(jīng)司空見(jiàn)慣。因此高速化是“長(cháng)期主義”，會(huì )緩慢的改變產(chǎn)業(yè)的格局。因此無(wú)論是尋找新領(lǐng)域機會(huì )，還是提升現有產(chǎn)品競爭力，高速化技術(shù)都是值得長(cháng)期投資的領(lǐng)域。

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