高速電機的六大關鍵技術

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

 

高速、超高速的應用前景廣闊但同時給電機帶來了極高的挑戰，我們將這些問題合并同類項后發現有六大類：散熱、選型、轉子結構、振動噪音、高效設計、軸承。

 

 

散熱的問題

 

電機損耗隨轉速幾何級數提高，高損耗產生的熱使得電機溫升極速提升，為維持高速運行，必須設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. “內強迫風冷”如下圖所示，強冷風能夠直接吹入電機內部帶走繞組和鐵芯上的熱量，這種方式一般出現在空壓機、鼓風機、飛機電機這類本來就有強風可利用的場合。
    
2. “內油冷”在電機必須封閉防護，或者無強風的應用環境中，采用最多的是內油冷方式，比如AVL設計的高速電機采用的定子槽內油冷的方式的組合。有些電機也采用繞組噴油冷卻+定子油冷+轉子油冷等多種方式的組合。
   
   為了實現高功率密度、發熱和冷卻是高速電機必須要面對的重要問題。

永磁電機還是感應電機？還是開關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，選擇永磁電機比較有優勢，而從可靠性出發選擇感應電機和開關磁阻電機。但因為振動噪音較大，開關磁阻的應用較少。

 

下圖是前人統計的不同轉速和功率下高速電機的種類分配規律，將電機的“功率*轉速值”畫成等高曲線，我們能夠發現一些大致的脈絡：“在超高的應用中感應電機居多，在高速的應用中感應電機和永磁電機共存”。只要遵循這條原則，我們就能在范圍內根據需求選擇電機類型。

 

 

高速電機的轉子結構必須要克服的離心應力，一般在“高速”的范圍內采用金屬護套、轉子本身結構（如Ipm的魚骨架、IM的轉子結構）等，而在“超高速”的范圍內采用碳纖維纏繞，或者干脆將轉子做成實心一體結構，如儲能飛輪的電機。

 

大多數永磁高速電機采用的是轉子護套的結構，此類設計也非常講究，即要保護永磁體，又要防止護套失效。因此要盡量避免出現應力集中的情況，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應力集中，這也就是為什么高速永磁電機都采用完整圓環磁鋼的原因，如果做不成完整圓環也采用填充物將圓周填滿。

振動噪音的問題是高速電機一大攔路虎。相比普通電機，即有轉子動力學產生的振動問題，比如轉子的臨界轉速問題，軸的偏擺振動問題。也有高頻電磁力產生的嘯叫問題，高速電機的電磁力頻率更高，分布范圍更廣，極易激起定子系統共振。

 

為了避免臨界轉速振動，高速電機的轉子設計非常關鍵，需要作嚴格的模態分析和測試。在設計時需要將長徑比作為優化變量：轉子設計過粗短，能夠提高臨界轉速的上限，不易發生共振，但轉子克服離心應力的難度會增加。反過來轉子設計的細長，離心強度問題改善，但臨界轉速下移，出現共振概率提高，而且電磁功率也會隨之下降。因此轉子的設計需要反復平衡，是高速電機設計的重中之重。

 

電機損耗隨轉速幾何級數提高， 高損耗使得電機效率快速衰減，為了實現高效，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：

 

1. 優化磁路設計提高磁場正弦性、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，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，因為脈沖調制的工作原理不可避免的出現高頻電流諧波，這些電流又進一步產生出了高頻磁場，高頻磁場滲透入磁鋼、定轉子表面產生高頻損耗。有些高速電機采用多電平驅動結構來改善PWM邊頻帶諧波。

高速電機的軸承選擇是關鍵的問題，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。磁懸浮軸承應用在較大功率的場合，空氣軸承應用在功率和尺寸較小的場合。機械軸承往往需要油潤滑，在很多無油應用中受限制。

高速電機關鍵問題和技術還有很多，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計，是新的挑戰也是新的機遇。

本文介紹了高速電機的八大類應用和六種關鍵技術。總的來說高速電機是一種前景廣泛，技術挑戰極高的應用。有些技術看起來離我們很遠，但從發展的角度我們能夠看到“淺高速-中高速-超高速-超超高速”的脈絡一直在演進。相比十年前，如今一兩萬的轉電機已經司空見慣。因此高速化是“長期主義”，會緩慢的改變產業的格局。因此無論是尋找新領域機會，還是提升現有產品競爭力，高速化技術都是值得長期投資的領域。

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