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高速電機為什么難搞？六大技術(shù)問題才是關(guān)鍵

發(fā)布時間：2023年12月7日 | 文章來源：今日電機 | 瀏覽次數(shù)：2,061 | 訪問原文
“在體積更小、功率更高追求驅(qū)動下，電機的轉(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)速達到17000 r/min。本期我們用更高的視角去看看轉(zhuǎn)速電機的應(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：散熱、選型、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、振動噪音、高效設(shè)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(shè)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：
  1. “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。
  2. “內(nèi)油冷”在電機必須封閉防護，或者無強風的應(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(yīng)電機？還是開關(guān)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(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機。但因為振動噪音較大，開關(guān)磁阻的應(yīng)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(luò)：“在超高的應(yīng)用中感應(yīng)電機居多，在高速的應(yīng)用中感應(yīng)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。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的問題

高速電機的轉(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(shè)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(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。

震動噪音的問題

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(shè)計非常關(guān)鍵，需要作嚴格的模態(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(shè)計需要反復平衡，是高速電機設(shè)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0.10 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. 降低磁負荷、增加熱負荷，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。
除了鐵耗之外，高速電機還要額外關(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(guān)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(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。
高速電機關(guān)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(shè)計，是新的挑戰(zhàn)也是新的機遇。
本文介紹了高速電機的八大類應(yīng)用和六種關(guān)鍵技術(shù)。總的來說高速電機是一種前景廣泛，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，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。相比十年前，如今一兩萬的轉(zhuǎn)電機已經(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。