高速电机的应用和关键技术

　　高速电机的应用

　　理解一个电机，最好是从应用角度去了解，高速电机的应用正在以爆炸式的方式在扩展，我们大致按高速程度来排序，有如下这些应用。

　　应用一：电动工具

　　下图是westwind公司的电转产品，200w@300krpm，采用无铁芯的PCB绕组工艺，并且将控制芯片也集成在内，体积非常小巧，这种电转也可以用在牙科等医疗设备上。

　　

　　应用二：分子泵

　　分子泵是一种获取高真空的常用物理设备，也可以用于分离空气，获得高清洁空气。这种应用的电机转速可以达32krpm@500w，可以采用感应电机的方案，也可以采用集中绕组永磁电机的方案来设计。

　　

　　应用三：分离储能

　　飞轮储能的细分领域有很多，有飞机上用的飞轮储能，有电站用的飞轮储能，下面这个例子是车用驱动的飞轮储能产品，其概念相当于混动汽车的电池储能或者超级电容储能，当汽车需要爆发功率时，飞轮储能电机能够作为发电机将电供给给电源。下面这款储能电机功率为30kw转速为5万转，采用感应电机的方案，转子是个实心铁块。

　　

　　应用四：涡轮增压

　　电子涡轮增压是近年出现的一种新技术，其作用是给低速时汽车发动机增压，以减缓涡流迟滞现象并提高扭矩爆发力。下图是博格华纳开发的一款10kw@十万转的产品，采用的是2极24槽的永磁电机结构，因为工作环境温度较高，除了高速外，这类电机的设计还需 控制磁钢损耗和温升。

　　应用五：微型燃气轮机

　　微型燃气轮机绝对是一种传奇产品，如下图所示大概一只铅笔长的机器能够迸发出50kw的功率，据说应用在汽车上能够减少95%的发动机体积，除了汽车外很多设备上都需要这种小型的引擎。它的工作原理如下图所示，需要一台永磁同步电机将燃烧产生的动能转化成电能。这台电机采用了2极6槽的结构。

　　

　　应用六：高速空压机

　　高速空压机是目前最常见的一种大功率高速电机，转速在几万转左右，功率在100-700kw之间，一般采用磁悬浮轴承，通过电机驱动涡轮或者叶片给空气打压。高速直驱电机代替的原来低速电机+增速器的系统，具备结构紧凑、可靠性高的优点。这类电机常用的是表贴式永磁同步电机和感应电机两种类型，相关的厂家如下图所示。

　　

　　下面这个案例的离心式风扇应该也算是高速空压机的一种，采用的是4极24槽的配合的SPM电机。采用永磁电机能提高效率并减小体积。

　　

　　应用七：车用驱动电机

　　车用驱动电机仍然是当前最热的领域，乘用车主流的转速在16000rpm以内，更高速度的电机已经在陆续开发中。下图所示是某大小开发的25000rpm225kw的感应电机，外径290mm 叠高230mm，最大扭矩358Nm，采用的是水冷的结构。

　　

　　为了提高功率密度，Integral Powertrain公司开发的 2万转450kw的永磁电机系统，最大扭矩900Nm，其重量仅有28kg，采用了先进的绕组喷油冷却，定子径向冷却、转子轴向冷却等一系列技术。和它配套的控制器是SiC平台。

　　

　　无独有偶，AVL下一代2万转驱动电机产品也采用油冷永磁电机技术，电机功率达到230kw，相应的重量在45kg。

　　

　　应用八：高速空压机

　　最后介绍另外一种皇冠上的电机，飞机用驱动电机。随着飞机电动化、半电动化的步伐加快，对高功率高速电机的需求也在上升。这将是另外一块热土，下图是一款300kw@35krpm的永磁电机，采用的是集中绕组永磁电机方案，电机重量在28.4kg。

　　

　　更高功率的航空电机应用在混动飞机上，作为类似增程混动架构的核心，这类电机一般采用强迫风冷结构以利用高速气流，Honeywell的电机的功率可以达到1Mw，为了提高效率采用永磁电机多余感应电机。

　　令人怦然心动的高速电机应用举不胜举，大块处女地待我们开发，在看热闹的同时，我们还可以深入学习高速电机背后的核心技术。

　　高速电机的关键技术

　　高速、超高速的应用前景广阔但同时给电机带来了极高的挑战，我们将这些问题合并同类项后发现有六大类。分别是散热、选型、转子结构、振动噪音、高效设计、轴承。

　　散热的问题

　　电机损耗随转速几何级数提高，高损耗产生的热使得电机温升极速提升，为维持高速运行，必须设计散热良好的冷却方式。我们能看到常见的高速电机冷却方式为：

　　“内强迫风冷”如下图所示，强冷风能够直接吹入电机内部带走绕组和铁芯上的热量，这种方式一般出现在空压机、鼓风机、飞机电机这类本来就有强风可利用的场合。

　　“内油冷”在电机必须封闭防护，或者无强风的应用环境中，采用最多的是内油冷方式，比如AVL设计的高速电机采用的定子槽内油冷的方式的组合。有些电机也采用绕组喷油冷却+定子油冷+转子油冷等多种方式的组合。

 

　　为了实现高功率密度、发热和冷却是高速电机必须要面对的重要问题。

　　电机选型问题

　　永磁电机还是感应电机？还是开关磁阻等其它类型的电机，高速电机种类的选择一直是一个没有标准答案的问题。一般从功率密度和效率的角度出发，选择永磁电机比较有优势，而从可靠性出发选择感应电机和开关磁阻电机。但因为振动噪音较大，开关磁阻的应用较少。

 

　　下图是前人统计的不同转速和功率下高速电机的种类分配规律，将电机的“功率*转速值”画成等高曲线，我们能够发现一些大致的脉络：“在超高的应用中感应电机居多，在高速的应用中感应电机和永磁电机共存”。只要遵循这条原则，我们就能在范围内根据需求选择电机类型。

 

　　散热的问题

　　高速电机的转子结构必须要克服的离心应力，一般在“高速”的范围内采用金属护套、转子本身结构（如Ipm的鱼骨架、IM的转子结构）等，而在“超高速”的范围内采用碳纤维缠绕，或者干脆将转子做成实心一体结构，如储能飞轮的电机。

 

　　大多数永磁高速电机采用的是转子护套的结构，此类设计也非常讲究，即要保护永磁体，又要防止护套失效。因此要尽量避免出现应力集中的情况，如下图所示，若磁钢不填满整个圆周，则会在护套和磁钢上都出现应力集中，这也就是为什么高速永磁电机都采用完整圆环磁钢的原因，如果做不成完整圆环也采用填充物将圆周填满。

 

　　振动噪音的问题

　　振动噪音的问题是高速电机一大拦路虎。相比普通电机，即有转子动力学产生的振动问题，比如转子的临界转速问题，轴的偏摆振动问题。也有高频电磁力产生的啸叫问题，高速电机的电磁力频率更高，分布范围更广，极易激起定子系统共振。

 

　　为了避免临界转速振动，高速电机的转子设计非常关键，需要作严格的模态分析和测试。在设计时需要将长径比作为优化变量：转子设计过粗短，能够提高临界转速的上限，不易发生共振，但转子克服离心应力的难度会增加。反过来转子设计的细长，离心强度问题改善，但临界转速下移，出现共振概率提高，而且电磁功率也会随之下降。因此转子的设计需要反复平衡，是高速电机设计的重中之重。

 

　　高效的问题

　　电机损耗随转速几何级数提高，高损耗使得电机效率快速衰减，为了实现高效，必须治理好各类损耗。以铁耗为例，为了降低涡流损耗，一般采用0.10mm、0.08mm的超薄硅钢片。超薄片能够降低涡流损耗但改善不了磁滞损耗，因此超薄片的铁耗磁滞损耗占大头，而普通片中涡流损耗占大头。改善磁滞损耗，可以从下面三条路子出发

　　优化磁路设计提高磁场正弦性、降低谐波铁耗；

　　降低磁负荷、增加热负荷，降低基波铁耗；

　　从材料选型出发，选择磁滞损耗较小的硅钢片；

 

　　除了铁耗之外，高速电机还要额外关注AC损耗，这些损耗是由于高频交变磁场渗透导致的，往往出现在磁钢外、金属护套、定子绕组表面。以治理磁钢的AC损耗为例，常用的方法是将磁钢分成多段，可以在径向分段也可以轴向分段。分段能够减小涡流环流面积，降低AC损耗，下图是分段之后涡流场的仿真，可知分段颗粒数越多AC损耗越小。除了分段之外还有更多的解决方案，限于篇幅不作展开。

 

　　高速电机中频率最高的磁场成分是由变频器的PWM载波导入的，因为脉冲调制的工作原理不可避免的出现高频电流谐波，这些电流又进一步产生出了高频磁场，高频磁场渗透入磁钢、定转子表面产生高频损耗。有些高速电机采用多电平驱动结构来改善PWM边频带谐波。

 

　　轴承的问题

　　高速电机的轴承选择是关键的问题，一般有磁悬浮、空气轴承、滑动机械轴承、滚珠机械轴承四大类可以选型。磁悬浮轴承应用在较大功率的场合，空气轴承应用在功率和尺寸较小的场合。机械轴承往往需要油润滑，在很多无油应用中受限制。

 

　　高速电机关键问题和技术还有很多，需要同时治理好这些问题，相比普通电机门槛高，难度大。需要采用力-磁-热-NVH多物理场耦合的方式来设计，是新的挑战也是新的机遇。

 

　　高速电机维修说明

　　对于高速电机，用维修普通电机的一般方法维修，未必能修好，修好后，未必能长时间使用。根据国内外实践经验。介绍一下转速为20000RPM 高速电机与一般低速电机不同的维修方法。

　　拆卸电枢

　　观察电机运转时碳刷与换向器之间是否产生火花，出现火花的程度，（1）是无任何火花。说明碳刷与换向器都正常，无需修理；（2）只是有2～4个极小火花。这时仔细观察换向器表面若是平整的。大多数情况可不必修理；（3）除r有4个以F的极小火花，另有1～3个大火花，则不必拆卸电枢，只需用砂纸磨碳刷换向器；（4）如果出现4个上的大火花，则需要用砂纸磨换向器，甚至要认真地将换向器进行车加这时必须把碳刷与电枢拆卸下来。当然一巨换向器被加工后，就一定要换碳刷磨碳刷。

　　拆卸方法

　　因为在拆卸端盖与电枢时，振动会把碳刷损坏，所 应首先把碳刷从碳刷糟中取出。又固为两个碳 稽与挟向器的夹角未必相同，为确保在安装时能恢复原样，左右碳刷不会装反，必须在取出碳刷之前。给左右碳刷做好记号。另外切记不要碰坏碳 与换向器的接触面。 

　　高速电机的一端一般有一个散热风痢，在另一端也许会有一个测转速用的磁钢或测速环在拆卸散热风扇叶与磁钢或测速环时一定要小心翼翼，不能把风扇的崩叶、测速磁钢碰坏。其次要在风扇轴套或在磁钢轴套与轴之间也傲一个记号，以便修理完毕后可以按原来的标记位置安装 因为高速电机的动平衡试验是带着扇叶或测速环（测速磁钢）作的，所以组装时，必须按拆卸时的记号组装 这一点在一般电机修理中是无关紧要的小事，I面在高速电机的修理中可事关大局。因为一旦损坏测速环或风扇片，或段有按记号组装，即使其它部分修理得很好。组装之后，在高速运行时 也可能会引起整机的不平衡振动。

　　拆卸高速电机时不可用锤子、冲子⋯ 等硬敲硬撬要用拉马，使用拉马时要注意：拉吗的顶尖 要直接顶在顶尖眼上，要在拉马顶尖与顶尖眼之同垫一保护垫，其目的是保护电枢轴上的顶尖眼避免损坏。

　　固定端盖

　　在拆卸之前一要在七下端盖上做上记号。以便修理后按原样装上。拆卸电枢上的轴承应小心清洗，清洗时用干净的航宅汽油，待汽油干后再用7014（或7018）轴承润滑脂填满轴承室（高速电机的轴承不能用普通黄油、二硫化钼）．放在干净的地方待用；如果换向器的表面平整而且有一层紫色的光泽，这是氧化层可以保护换向器的表面，用揉软的毛刷除去表面的粉末即可。

责任编辑：YYX