什么是高速電機(jī)？高速電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合

高速電機(jī)具有效率高、比功率較大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家，高速電機(jī)已廣泛應(yīng)用于航空、航天及模具行業(yè)。我國(guó)高速電機(jī)行業(yè)始于上世紀(jì)90年代，產(chǎn)品由低端向高端不斷發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。

怎么定義高速電機(jī)

什么是高速電機(jī)，沒(méi)有明確的邊界定義。一般超過(guò)10 000 r/min都可以稱為高速電機(jī)。也有用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的線速度來(lái)定義，高速電機(jī)的線速度一般大于50 m/s，轉(zhuǎn)子的離心應(yīng)力和線速度的平方成正比，因此按線速度劃分反映了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難易程度。國(guó)外有學(xué)者采用速度和根號(hào)下功率乘積來(lái)定義高速電機(jī)，這種劃分既考慮了轉(zhuǎn)子的難易程度，又考量了電機(jī)的能量大小，更加科學(xué)合理。按此標(biāo)準(zhǔn)可以將高速電機(jī)定義為高速和超高速兩大類。

高速電機(jī)和超高速電機(jī)的區(qū)別在于功率和轉(zhuǎn)速的乘積大小。我們用三個(gè)案例來(lái)理解這個(gè)概念：

案例一是小家電里非常著名的戴森電吹風(fēng)電機(jī)，這個(gè)電機(jī)是110 kr/min，1 600 W，它的根號(hào)下功率和轉(zhuǎn)速的乘積為1.39×105,在上側(cè)的圖中，在高速/超高速分界線以下，屬于高速電機(jī)；

案例二為Integral Powertrain公司開發(fā)的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，20 kr/min,450 kW，它的根號(hào)下功率和轉(zhuǎn)速的乘積為4.24×105，這個(gè)乘積越大代表了高速程度越大，難度更高；

案例三是Honeywell的飛機(jī)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，20 kr/min,1 000 kW，它的根號(hào)下功率和轉(zhuǎn)速的乘積為6.3×105，屬于超高速電機(jī)的范圍，采用的技術(shù)也更加先進(jìn)。

如果單純就高速工作點(diǎn)而言，電機(jī)的難度隨功率和轉(zhuǎn)速乘積呈階梯上升，因此我們可以用這個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)判高速電機(jī)的高速化程度。

高速電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合

高速電機(jī)的應(yīng)用正在以爆炸式的方式在擴(kuò)展，按高速程度來(lái)排序，有如下這些應(yīng)用。

01 電動(dòng)工具

westwind公司的電轉(zhuǎn)產(chǎn)品，200 W，300 kr/min，采用無(wú)鐵心的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。

02 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)32 kr/min,500 W，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(lái)設(shè)計(jì)。

03 分離儲(chǔ)能飛輪

儲(chǔ)能的細(xì)分領(lǐng)域有很多，有飛機(jī)上用的飛輪儲(chǔ)能，有電站用的飛輪儲(chǔ)能，下面這個(gè)例子是車用驅(qū)動(dòng)的飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品，其概念相當(dāng)于混動(dòng)汽車的電池儲(chǔ)能或者超級(jí)電容儲(chǔ)能，當(dāng)汽車需要爆發(fā)功率時(shí)，飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能電機(jī)功率為30 kW轉(zhuǎn)速為50 kr/min，采用感應(yīng)電機(jī)的方案，轉(zhuǎn)子是個(gè)實(shí)心鐵塊。

04 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10 kW,100 kr/min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。

05 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)絕對(duì)是一種傳奇產(chǎn)品，大概一只鉛筆長(zhǎng)的機(jī)器能夠迸發(fā)出50 kW的功率，據(jù)說(shuō)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(tái)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(tái)電機(jī)采用了2極6槽的結(jié)構(gòu)。

06 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(wàn)轉(zhuǎn)左右，功率在100-700 kW之間，一般采用磁懸浮軸承，通過(guò)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(lái)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。

07 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16 000 r/min以內(nèi)，更高速度的電機(jī)已經(jīng)在陸續(xù)開發(fā)中。下圖所示是某公司開發(fā)的25 000 r/min,225 kW的感應(yīng)電機(jī)，外徑290 mm 疊高230 mm，最大扭矩358 N·m，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 20 000 r/min，450 kW的永磁電機(jī)系統(tǒng)，最大扭矩900 N·m，其重量?jī)H有28 kg，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(tái)。

無(wú)獨(dú)有偶，AVL下一代20 000 r/min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45 kg。

08 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(duì)高功率高速電機(jī)的需求也在上升。下圖是一款300 kW，35 kr/min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28.4 kg。

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1 MW，為了提高效率采用永磁電機(jī)多于感應(yīng)電機(jī)。

審核編輯：湯梓紅