突破極限：高速電機(jī)的五大技術(shù)挑戰(zhàn)，你準(zhǔn)備好了嗎？

Mai-邁

在體積更小、功率更高追求驅(qū)動下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速一路攀升，從早期的兩三千轉(zhuǎn)，一直攀升到幾萬甚至幾十萬轉(zhuǎn)，更高的轉(zhuǎn)速使得功率密度和原材料利用率提高。因此高轉(zhuǎn)速是強(qiáng)趨勢，以新能源驅(qū)動為例，豐田Prius推出的第一代產(chǎn)品最高轉(zhuǎn)速才6000 r/min，到第四代產(chǎn)品轉(zhuǎn)速達(dá)到17000 r/min。本期我們用更高的視角去看看轉(zhuǎn)速電機(jī)的應(yīng)用場合及背后的關(guān)鍵技術(shù)。”

高速、超高速的應(yīng)用前景廣闊但同時給電機(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：散熱、選型、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、振動噪音、高效設(shè)計、軸承。

一、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。

二、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)檎駝釉胍糨^大，開關(guān)磁阻的應(yīng)用較少。

三、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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。

四、震動噪音的問題

  振動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)子動力學(xué)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(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，高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計非常關(guān)鍵，需要作嚴(yán)格的模態(tài)分析和測試。在設(shè)計時需要將長徑比作為優(yōu)化變量：轉(zhuǎn)子設(shè)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(yīng)力的難度會增加。反過來轉(zhuǎn)子設(shè)計的細(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)計需要反復(fù)平衡，是高速電機(jī)設(shè)計的重中之重。

五、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0.10 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(shè)計提高磁場正弦性、降低諧波鐵耗；

  2.降低磁負(fù)荷、增加熱負(fù)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(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)動結(jié)構(gòu)來改善PWM邊頻帶諧波。

六、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)的軸承選擇是關(guān)鍵的問題，一般有磁懸浮、空氣軸承、滑動機(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。

  本文介紹了高速電機(jī)的八大類應(yīng)用和六種關(guān)鍵技術(shù)。總的來說高速電機(jī)是一種前景廣泛，技術(shù)挑戰(zhàn)極高的應(yīng)用。有些技術(shù)看起來離我們很遠(yuǎn)，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，如今一兩萬的轉(zhuǎn)電機(jī)已經(jīng)司空見慣。因此高速化是“長期主義”，會緩慢的改變產(chǎn)業(yè)的格局。因此無論是尋找新領(lǐng)域機(jī)會，還是提升現(xiàn)有產(chǎn)品競爭力，高速化技術(shù)都是值得長期投資的領(lǐng)域。

  【來源：汽車工程師之家】（免責(zé)聲明：分享此文僅為傳播汽車行業(yè)相關(guān)知識，其版權(quán)歸原作者所有，感謝原作者的辛苦付出；若有侵權(quán)異議等請跟我們聯(lián)系協(xié)商或刪除，謝謝）

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