高速電機(jī)的應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)

高速電機(jī)的應(yīng)用

理解一個(gè)電機(jī)，最好是從應(yīng)用角度去了解，高速電機(jī)的應(yīng)用正在以爆炸式的方式在擴(kuò)展，我們大致按高速程度來排序，有如下這些應(yīng)用。

應(yīng)用一：電動(dòng)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(shè)備上。

應(yīng)用二：分子泵

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

應(yīng)用三：分離儲能

飛輪儲能的細(xì)分領(lǐng)域有很多，有飛機(jī)上用的飛輪儲能，有電站用的飛輪儲能，下面這個(gè)例子是車用驅(qū)動(dòng)的飛輪儲能產(chǎn)品，其概念相當(dāng)于混動(dòng)汽車的電池儲能或者超級電容儲能，當(dāng)汽車需要爆發(fā)功率時(shí)，飛輪儲能電機(jī)能夠作為發(fā)電機(jī)將電供給給電源。下面這款儲能電機(jī)功率為30kw轉(zhuǎn)速為5萬轉(zhuǎn)，采用感應(yīng)電機(jī)的方案，轉(zhuǎn)子是個(gè)實(shí)心鐵塊。

應(yīng)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(shí)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境溫度較高，除了高速外，這類電機(jī)的設(shè)計(jì)還需 控制磁鋼損耗和溫升。

應(yīng)用五：微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)絕對是一種傳奇產(chǎn)品，如下圖所示大概一只鉛筆長的機(jī)器能夠迸發(fā)出50kw的功率，據(jù)說應(yīng)用在汽車上能夠減少95%的發(fā)動(dòng)機(jī)體積，除了汽車外很多設(shè)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(jī)將燃燒產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。這臺電機(jī)采用了2極6槽的結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用六：高速空壓機(jī)

高速空壓機(jī)是目前最常見的一種大功率高速電機(jī)，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(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪或者葉片給空氣打壓。高速直驅(qū)電機(jī)代替的原來低速電機(jī)+增速器的系統(tǒng)，具備結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。這類電機(jī)常用的是表貼式永磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)兩種類型，相關(guān)的廠家如下圖所示。

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

應(yīng)用七：車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)

車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)仍然是當(dāng)前最熱的領(lǐng)域，乘用車主流的轉(zhuǎn)速在16000rpm以內(nèi)，更高速度的電機(jī)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(yīng)電機(jī)，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(jī)系統(tǒng)，最大扭矩900Nm，其重量僅有28kg，采用了先進(jìn)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(dú)有偶，AVL下一代2萬轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)品也采用油冷永磁電機(jī)技術(shù)，電機(jī)功率達(dá)到230kw，相應(yīng)的重量在45kg。

應(yīng)用八：高速空壓機(jī)

最后介紹另外一種皇冠上的電機(jī)，飛機(jī)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)。隨著飛機(jī)電動(dòng)化、半電動(dòng)化的步伐加快，對高功率高速電機(jī)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(jī)，采用的是集中繞組永磁電機(jī)方案，電機(jī)重量在28.4kg。

更高功率的航空電機(jī)應(yīng)用在混動(dòng)飛機(jī)上，作為類似增程混動(dòng)架構(gòu)的核心，這類電機(jī)一般采用強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)以利用高速氣流，Honeywell的電機(jī)的功率可以達(dá)到1Mw，為了提高效率采用永磁電機(jī)多余感應(yīng)電機(jī)。

令人怦然心動(dòng)的高速電機(jī)應(yīng)用舉不勝舉，大塊處女地待我們開發(fā)，在看熱鬧的同時(shí)，我們還可以深入學(xué)習(xí)高速電機(jī)背后的核心技術(shù)。

高速電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

高速、超高速的應(yīng)用前景廣闊但同時(shí)給電機(jī)帶來了極高的挑戰(zhàn)，我們將這些問題合并同類項(xiàng)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(dòng)噪音、高效設(shè)計(jì)、軸承。

散熱的問題

電機(jī)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(jī)溫升極速提升，為維持高速運(yùn)行，必須設(shè)計(jì)散熱良好的冷卻方式。我們能看到常見的高速電機(jī)冷卻方式為：

“內(nèi)強(qiáng)迫風(fēng)冷”如下圖所示，強(qiáng)冷風(fēng)能夠直接吹入電機(jī)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(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、飛機(jī)電機(jī)這類本來就有強(qiáng)風(fēng)可利用的場合。

“內(nèi)油冷”在電機(jī)必須封閉防護(hù)，或者無強(qiáng)風(fēng)的應(yīng)用環(huán)境中，采用最多的是內(nèi)油冷方式，比如AVL設(shè)計(jì)的高速電機(jī)采用的定子槽內(nèi)油冷的方式的組合。有些電機(jī)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(shí)現(xiàn)高功率密度、發(fā)熱和冷卻是高速電機(jī)必須要面對的重要問題。

電機(jī)選型問題

永磁電機(jī)還是感應(yīng)電機(jī)？還是開關(guān)磁阻等其它類型的電機(jī)，高速電機(jī)種類的選擇一直是一個(gè)沒有標(biāo)準(zhǔn)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(jī)比較有優(yōu)勢，而從可靠性出發(fā)選擇感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。但因?yàn)檎駝?dòng)噪音較大，開關(guān)磁阻的應(yīng)用較少。

下圖是前人統(tǒng)計(jì)的不同轉(zhuǎn)速和功率下高速電機(jī)的種類分配規(guī)律，將電機(jī)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(luò)：“在超高的應(yīng)用中感應(yīng)電機(jī)居多，在高速的應(yīng)用中感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)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(jī)類型。

散熱的問題

高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)必須要克服的離心應(yīng)力，一般在“高速”的范圍內(nèi)采用金屬護(hù)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(shí)心一體結(jié)構(gòu)，如儲能飛輪的電機(jī)。

大多數(shù)永磁高速電機(jī)采用的是轉(zhuǎn)子護(hù)套的結(jié)構(gòu)，此類設(shè)計(jì)也非常講究，即要保護(hù)永磁體，又要防止護(hù)套失效。因此要盡量避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，如下圖所示，若磁鋼不填滿整個(gè)圓周，則會在護(hù)套和磁鋼上都出現(xiàn)應(yīng)力集中，這也就是為什么高速永磁電機(jī)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(dòng)噪音的問題

振動(dòng)噪音的問題是高速電機(jī)一大攔路虎。相比普通電機(jī)，即有轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的振動(dòng)問題，比如轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速問題，軸的偏擺振動(dòng)問題。也有高頻電磁力產(chǎn)生的嘯叫問題，高速電機(jī)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(dòng)，高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，需要作嚴(yán)格的模態(tài)分析和測試。在設(shè)計(jì)時(shí)需要將長徑比作為優(yōu)化變量：轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)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(yīng)力的難度會增加。反過來轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的細(xì)長，離心強(qiáng)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(shè)計(jì)需要反復(fù)平衡，是高速電機(jī)設(shè)計(jì)的重中之重。

高效的問題

電機(jī)損耗隨轉(zhuǎn)速幾何級數(shù)提高，高損耗使得電機(jī)效率快速衰減，為了實(shí)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(shè)計(jì)提高磁場正弦性、降低諧波鐵耗；

降低磁負(fù)荷、增加熱負(fù)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(jī)還要額外關(guān)注AC損耗，這些損耗是由于高頻交變磁場滲透導(dǎo)致的，往往出現(xiàn)在磁鋼外、金屬護(hù)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(jī)中頻率最高的磁場成分是由變頻器的PWM載波導(dǎo)入的，因?yàn)槊}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(jìn)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(jī)采用多電平驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)來改善PWM邊頻帶諧波。

軸承的問題

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

高速電機(jī)關(guān)鍵問題和技術(shù)還有很多，需要同時(shí)治理好這些問題，相比普通電機(jī)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(shè)計(jì)，是新的挑戰(zhàn)也是新的機(jī)遇。

高速電機(jī)維修說明

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

拆卸電樞

觀察電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)極小火花。這時(shí)仔細(xì)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(gè)以F的極小火花，另有1～3個(gè)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(gè)上的大火花，則需要用砂紙磨換向器，甚至要認(rèn)真地將換向器進(jìn)行車加這時(shí)必須把碳刷與電樞拆卸下來。當(dāng)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?yàn)樵诓鹦抖松w與電樞時(shí)，振動(dòng)會把碳刷損壞，所 應(yīng)首先把碳刷從碳刷糟中取出。又固為兩個(gè)碳 稽與挾向器的夾角未必相同，為確保在安裝時(shí)能恢復(fù)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(jī)的一端一般有一個(gè)散熱風(fēng)痢，在另一端也許會有一個(gè)測轉(zhuǎn)速用的磁鋼或測速環(huán)在拆卸散熱風(fēng)扇葉與磁鋼或測速環(huán)時(shí)一定要小心翼翼，不能把風(fēng)扇的崩葉、測速磁鋼碰壞。其次要在風(fēng)扇軸套或在磁鋼軸套與軸之間也傲一個(gè)記號，以便修理完畢后可以按原來的標(biāo)記位置安裝 因?yàn)楦咚匐姍C(jī)的動(dòng)平衡試驗(yàn)是帶著扇葉或測速環(huán)（測速磁鋼）作的，所以組裝時(shí)，必須按拆卸時(shí)的記號組裝 這一點(diǎn)在一般電機(jī)修理中是無關(guān)緊要的小事，I面在高速電機(jī)的修理中可事關(guān)大局。因?yàn)橐坏p壞測速環(huán)或風(fēng)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(yùn)行時(shí) 也可能會引起整機(jī)的不平衡振動(dòng)。

拆卸高速電機(jī)時(shí)不可用錘子、沖子? 等硬敲硬撬要用拉馬，使用拉馬時(shí)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(hù)墊，其目的是保護(hù)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(yīng)小心清洗，清洗時(shí)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(jī)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(hù)換向器的表面，用揉軟的毛刷除去表面的粉末即可。

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