在體積更小、功率更高追求驅(qū)動(dòng)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(wàn)甚至幾十萬(wàn)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(shì)，以新能源驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(shí)給電機(jī)帶來(lái)了極高的挑戰(zhàn)，我們將這些問(wèn)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(dòng)噪音、高效設(shè)計(jì)、軸承。
電機(jī)損耗隨轉(zhuǎn)速幾何級(jí)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(jiàn)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(lái)就有強(qiáng)風(fēng)可利用的場(chǎng)合。
- “內(nèi)油冷”在電機(jī)必須封閉防護(hù)，或者無(wú)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(duì)的重要問(wèn)題。
永磁電機(jī)還是感應(yīng)電機(jī)？還是開(kāi)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(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案的問(wèn)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(shì)，而從可靠性出發(fā)選擇感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。但因?yàn)檎駝?dòng)噪音較大，開(kāi)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(huà)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。
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(yú)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(chǔ)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(huì)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(wèn)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(wèn)題，比如轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速問(wèn)題，軸的偏擺振動(dòng)問(wèn)題。也有高頻電磁力產(chǎn)生的嘯叫問(wèn)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(cè)試。在設(shè)計(jì)時(shí)需要將長(zhǎng)徑比作為優(yōu)化變量：轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)過(guò)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(huì)增加。反過(guò)來(lái)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的細(xì)長(zhǎng)，離心強(qiáng)度問(wèn)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(huì)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。
電機(jī)損耗隨轉(zhuǎn)速幾何級(jí)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)：
- 優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)提高磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(kāi)。
高速電機(jī)中頻率最高的磁場(chǎng)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(chǎng)，高頻磁場(chǎng)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(lái)改善PWM邊頻帶諧波。
高速電機(jī)的軸承選擇是關(guān)鍵的問(wèn)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(chǎng)合，空氣軸承應(yīng)用在功率和尺寸較小的場(chǎng)合。機(jī)械軸承往往需要油潤(rùn)滑，在很多無(wú)油應(yīng)用中受限制。
高速電機(jī)關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)還有很多，需要同時(shí)治理好這些問(wèn)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(chǎng)耦合的方式來(lái)設(shè)計(jì)，是新的挑戰(zhàn)也是新的機(jī)遇。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(lái)說(shuō)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(lái)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(wàn)的轉(zhuǎn)電機(jī)已經(jīng)司空見(jiàn)慣。因此高速化是“長(zhǎng)期主義”，會(huì)緩慢的改變產(chǎn)業(yè)的格局。因此無(wú)論是尋找新領(lǐng)域機(jī)會(huì)，還是提升現(xiàn)有產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，高速化技術(shù)都是值得長(zhǎng)期投資的領(lǐng)域。
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