高速電機的應用和關鍵技術(shù)

高速電機的應用

理解一個電機，最好是從應用角度去了解，高速電機的應用正在以爆炸式的方式在擴展，我們大致按高速程度來排序，有如下這些應用。

應用一：電動工具

下圖是westwind公司的電轉(zhuǎn)產(chǎn)品，200w@300krpm，采用無鐵芯的PCB繞組工藝，并且將控制芯片也集成在內(nèi)，體積非常小巧，這種電轉(zhuǎn)也可以用在牙科等醫(yī)療設備上。

應用二：分子泵

分子泵是一種獲取高真空的常用物理設備，也可以用于分離空氣，獲得高清潔空氣。這種應用的電機轉(zhuǎn)速可以達32krpm@500w，可以采用感應電機的方案，也可以采用集中繞組永磁電機的方案來設計。

應用三：分離儲能

飛輪儲能的細分領域有很多，有飛機上用的飛輪儲能，有電站用的飛輪儲能，下面這個例子是車用驅(qū)動的飛輪儲能產(chǎn)品，其概念相當于混動汽車的電池儲能或者超級電容儲能，當汽車需要爆發(fā)功率時，飛輪儲能電機能夠作為發(fā)電機將電供給給電源。下面這款儲能電機功率為30kw轉(zhuǎn)速為5萬轉(zhuǎn)，采用感應電機的方案，轉(zhuǎn)子是個實心鐵塊。

應用四：渦輪增壓

電子渦輪增壓是近年出現(xiàn)的一種新技術(shù)，其作用是給低速時汽車發(fā)動機增壓，以減緩渦流遲滯現(xiàn)象并提高扭矩爆發(fā)力。下圖是博格華納開發(fā)的一款10kw@十萬轉(zhuǎn)的產(chǎn)品，采用的是2極24槽的永磁電機結(jié)構(gòu)，因為工作環(huán)境溫度較高，除了高速外，這類電機的設計還需 控制磁鋼損耗和溫升。

應用五：微型燃氣輪機

微型燃氣輪機絕對是一種傳奇產(chǎn)品，如下圖所示大概一只鉛筆長的機器能夠迸發(fā)出50kw的功率，據(jù)說應用在汽車上能夠減少95%的發(fā)動機體積，除了汽車外很多設備上都需要這種小型的引擎。它的工作原理如下圖所示，需要一臺永磁同步電機將燃燒產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化成電能。這臺電機采用了2極6槽的結(jié)構(gòu)。

應用六：高速空壓機

高速空壓機是目前最常見的一種大功率高速電機，轉(zhuǎn)速在幾萬轉(zhuǎn)左右，功率在100-700kw之間，一般采用磁懸浮軸承，通過電機驅(qū)動渦輪或者葉片給空氣打壓。高速直驅(qū)電機代替的原來低速電機+增速器的系統(tǒng)，具備結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的優(yōu)點。這類電機常用的是表貼式永磁同步電機和感應電機兩種類型，相關的廠家如下圖所示。

下面這個案例的離心式風扇應該也算是高速空壓機的一種，采用的是4極24槽的配合的SPM電機。采用永磁電機能提高效率并減小體積。

應用七：車用驅(qū)動電機

車用驅(qū)動電機仍然是當前最熱的領域，乘用車主流的轉(zhuǎn)速在16000rpm以內(nèi)，更高速度的電機已經(jīng)在陸續(xù)開發(fā)中。下圖所示是某大小開發(fā)的25000rpm225kw的感應電機，外徑290mm 疊高230mm，最大扭矩358Nm，采用的是水冷的結(jié)構(gòu)。

為了提高功率密度，Integral Powertrain公司開發(fā)的 2萬轉(zhuǎn)450kw的永磁電機系統(tǒng)，最大扭矩900Nm，其重量僅有28kg，采用了先進的繞組噴油冷卻，定子徑向冷卻、轉(zhuǎn)子軸向冷卻等一系列技術(shù)。和它配套的控制器是SiC平臺。

無獨有偶，AVL下一代2萬轉(zhuǎn)驅(qū)動電機產(chǎn)品也采用油冷永磁電機技術(shù)，電機功率達到230kw，相應的重量在45kg。

應用八：高速空壓機

最后介紹另外一種皇冠上的電機，飛機用驅(qū)動電機。隨著飛機電動化、半電動化的步伐加快，對高功率高速電機的需求也在上升。這將是另外一塊熱土，下圖是一款300kw@35krpm的永磁電機，采用的是集中繞組永磁電機方案，電機重量在28.4kg。

更高功率的航空電機應用在混動飛機上，作為類似增程混動架構(gòu)的核心，這類電機一般采用強迫風冷結(jié)構(gòu)以利用高速氣流，Honeywell的電機的功率可以達到1Mw，為了提高效率采用永磁電機多余感應電機。

令人怦然心動的高速電機應用舉不勝舉，大塊處女地待我們開發(fā)，在看熱鬧的同時，我們還可以深入學習高速電機背后的核心技術(shù)。

高速電機的關鍵技術(shù)

高速、超高速的應用前景廣闊但同時給電機帶來了極高的挑戰(zhàn)，我們將這些問題合并同類項后發(fā)現(xiàn)有六大類。分別是散熱、選型、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、振動噪音、高效設計、軸承。

散熱的問題

電機損耗隨轉(zhuǎn)速幾何級數(shù)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。我們能看到常見的高速電機冷卻方式為：

“內(nèi)強迫風冷”如下圖所示，強冷風能夠直接吹入電機內(nèi)部帶走繞組和鐵芯上的熱量，這種方式一般出現(xiàn)在空壓機、鼓風機、飛機電機這類本來就有強風可利用的場合。

“內(nèi)油冷”在電機必須封閉防護，或者無強風的應用環(huán)境中，采用最多的是內(nèi)油冷方式，比如AVL設計的高速電機采用的定子槽內(nèi)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(zhuǎn)子油冷等多種方式的組合。

為了實現(xiàn)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題。

電機選型問題

永磁電機還是感應電機？還是開關磁阻等其它類型的電機，高速電機種類的選擇一直是一個沒有標準答案的問題。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)選擇感應電機和開關磁阻電機。但因為振動噪音較大，開關磁阻的應用較少。

下圖是前人統(tǒng)計的不同轉(zhuǎn)速和功率下高速電機的種類分配規(guī)律，將電機的“功率*轉(zhuǎn)速值”畫成等高曲線，我們能夠發(fā)現(xiàn)一些大致的脈絡：“在超高的應用中感應電機居多，在高速的應用中感應電機和永磁電機共存”。只要遵循這條原則，我們就能在范圍內(nèi)根據(jù)需求選擇電機類型。

散熱的問題

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

大多數(shù)永磁高速電機采用的是轉(zhuǎn)子護套的結(jié)構(gòu)，此類設計也非常講究，即要保護永磁體，又要防止護套失效。因此要盡量避免出現(xiàn)應力集中的情況，如下圖所示，若磁鋼不填滿整個圓周，則會在護套和磁鋼上都出現(xiàn)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。

振動噪音的問題

振動噪音的問題是高速電機一大攔路虎。相比普通電機，即有轉(zhuǎn)子動力學產(chǎn)生的振動問題，比如轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速問題，軸的偏擺振動問題。也有高頻電磁力產(chǎn)生的嘯叫問題，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(tǒng)共振。

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

高效的問題

電機損耗隨轉(zhuǎn)速幾何級數(shù)提高，高損耗使得電機效率快速衰減，為了實現(xiàn)高效，必須治理好各類損耗。以鐵耗為例，為了降低渦流損耗，一般采用0.10mm、0.08mm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)

優(yōu)化磁路設計提高磁場正弦性、降低諧波鐵耗；

降低磁負荷、增加熱負荷，降低基波鐵耗；

從材料選型出發(fā)，選擇磁滯損耗較小的硅鋼片；

除了鐵耗之外，高速電機還要額外關注AC損耗，這些損耗是由于高頻交變磁場滲透導致的，往往出現(xiàn)在磁鋼外、金屬護套、定子繞組表面。以治理磁鋼的AC損耗為例，常用的方法是將磁鋼分成多段，可以在徑向分段也可以軸向分段。分段能夠減小渦流環(huán)流面積，降低AC損耗，下圖是分段之后渦流場的仿真，可知分段顆粒數(shù)越多AC損耗越小。除了分段之外還有更多的解決方案，限于篇幅不作展開。

高速電機中頻率最高的磁場成分是由變頻器的PWM載波導入的，因為脈沖調(diào)制的工作原理不可避免的出現(xiàn)高頻電流諧波，這些電流又進一步產(chǎn)生出了高頻磁場，高頻磁場滲透入磁鋼、定轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生高頻損耗。有些高速電機采用多電平驅(qū)動結(jié)構(gòu)來改善PWM邊頻帶諧波。

軸承的問題

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

高速電機關鍵問題和技術(shù)還有很多，需要同時治理好這些問題，相比普通電機門檻高，難度大。需要采用力-磁-熱-NVH多物理場耦合的方式來設計，是新的挑戰(zhàn)也是新的機遇。

高速電機維修說明

對于高速電機，用維修普通電機的一般方法維修，未必能修好，修好后，未必能長時間使用。根據(jù)國內(nèi)外實踐經(jīng)驗。介紹一下轉(zhuǎn)速為20000RPM 高速電機與一般低速電機不同的維修方法。

拆卸電樞

觀察電機運轉(zhuǎn)時碳刷與換向器之間是否產(chǎn)生火花，出現(xiàn)火花的程度，（1）是無任何火花。說明碳刷與換向器都正常，無需修理；（2）只是有2～4個極小火花。這時仔細觀察換向器表面若是平整的。大多數(shù)情況可不必修理；（3）除r有4個以F的極小火花，另有1～3個大火花，則不必拆卸電樞，只需用砂紙磨碳刷換向器；（4）如果出現(xiàn)4個上的大火花，則需要用砂紙磨換向器，甚至要認真地將換向器進行車加這時必須把碳刷與電樞拆卸下來。當然一巨換向器被加工后，就一定要換碳刷磨碳刷。

拆卸方法

因為在拆卸端蓋與電樞時，振動會把碳刷損壞，所 應首先把碳刷從碳刷糟中取出。又固為兩個碳 稽與挾向器的夾角未必相同，為確保在安裝時能恢復原樣，左右碳刷不會裝反，必須在取出碳刷之前。給左右碳刷做好記號。另外切記不要碰壞碳 與換向器的接觸面。

高速電機的一端一般有一個散熱風痢，在另一端也許會有一個測轉(zhuǎn)速用的磁鋼或測速環(huán)在拆卸散熱風扇葉與磁鋼或測速環(huán)時一定要小心翼翼，不能把風扇的崩葉、測速磁鋼碰壞。其次要在風扇軸套或在磁鋼軸套與軸之間也傲一個記號，以便修理完畢后可以按原來的標記位置安裝 因為高速電機的動平衡試驗是帶著扇葉或測速環(huán)（測速磁鋼）作的，所以組裝時，必須按拆卸時的記號組裝 這一點在一般電機修理中是無關緊要的小事，I面在高速電機的修理中可事關大局。因為一旦損壞測速環(huán)或風扇片，或段有按記號組裝，即使其它部分修理得很好。組裝之后，在高速運行時 也可能會引起整機的不平衡振動。

拆卸高速電機時不可用錘子、沖子? 等硬敲硬撬要用拉馬，使用拉馬時要注意：拉嗎的頂尖 要直接頂在頂尖眼上，要在拉馬頂尖與頂尖眼之同墊一保護墊，其目的是保護電樞軸上的頂尖眼避免損壞。

固定端蓋

在拆卸之前一要在七下端蓋上做上記號。以便修理后按原樣裝上。拆卸電樞上的軸承應小心清洗，清洗時用干凈的航宅汽油，待汽油干后再用7014（或7018）軸承潤滑脂填滿軸承室（高速電機的軸承不能用普通黃油、二硫化鉬）．放在干凈的地方待用；如果換向器的表面平整而且有一層紫色的光澤，這是氧化層可以保護換向器的表面，用揉軟的毛刷除去表面的粉末即可。

責任編輯：YYX