高速電機的應用

理解一個電機，最好是從應用角度去了解，高速電機的應用正在以爆炸式的方式在擴展，我們大致按高速程度來排序，有如下這些應用。

應用一：電動工具

下圖是westwind公司的電轉產品，200w@300krpm，采用無鐵芯的PCB繞組工藝，并且將控制芯片也集成在內，體積非常小巧，這種電轉也可以用在牙科等醫療設備上。

應用二：分子泵

分子泵是一種獲取高真空的常用物理設備，也可以用于分離空氣，獲得高清潔空氣。這種應用的電機轉速可以達32krpm@500w，可以采用感應電機的方案，也可以采用集中繞組永磁電機的方案來設計。

應用三：分離儲能

飛輪儲能的細分領域有很多，有飛機上用的飛輪儲能，有電站用的飛輪儲能，下面這個例子是車用驅動的飛輪儲能產品，其概念相當于混動汽車的電池儲能或者超級電容儲能，當汽車需要爆發功率時，飛輪儲能電機能夠作為發電機將電供給給電源。下面這款儲能電機功率為30kw轉速為5萬轉，采用感應電機的方案，轉子是個實心鐵塊。

應用四：渦輪增壓

電子渦輪增壓是近年出現的一種新技術，其作用是給低速時汽車發動機增壓，以減緩渦流遲滯現象并提高扭矩爆發力。下圖是博格華納開發的一款10kw@十萬轉的產品，采用的是2極24槽的永磁電機結構，因為工作環境溫度較高，除了高速外，這類電機的設計還需 控制磁鋼損耗和溫升。

應用五：微型燃氣輪機

微型燃氣輪機絕對是一種傳奇產品，如下圖所示大概一只鉛筆長的機器能夠迸發出50kw的功率，據說應用在汽車上能夠減少95%的發動機體積，除了汽車外很多設備上都需要這種小型的引擎。它的工作原理如下圖所示，需要一臺永磁同步電機將燃燒產生的動能轉化成電能。這臺電機采用了2極6槽的結構。

應用六：高速空壓機

高速空壓機是目前最常見的一種大功率高速電機，轉速在幾萬轉左右，功率在100-700kw之間，一般采用磁懸浮軸承，通過電機驅動渦輪或者葉片給空氣打壓。高速直驅電機代替的原來低速電機+增速器的系統，具備結構緊湊、可靠性高的優點。這類電機常用的是表貼式永磁同步電機和感應電機兩種類型，相關的廠家如下圖所示。

下面這個案例的離心式風扇應該也算是高速空壓機的一種，采用的是4極24槽的配合的SPM電機。采用永磁電機能提高效率并減小體積。

應用七：車用驅動電機

車用驅動電機仍然是當前最熱的領域，乘用車主流的轉速在16000rpm以內，更高速度的電機已經在陸續開發中。下圖所示是某大小開發的25000rpm225kw的感應電機，外徑290mm 疊高230mm，最大扭矩358Nm，采用的是水冷的結構。

為了提高功率密度，Integral Powertrain公司開發的 2萬轉450kw的永磁電機系統，最大扭矩900Nm，其重量僅有28kg，采用了先進的繞組噴油冷卻，定子徑向冷卻、轉子軸向冷卻等一系列技術。和它配套的控制器是SiC平臺。

無獨有偶，AVL下一代2萬轉驅動電機產品也采用油冷永磁電機技術，電機功率達到230kw，相應的重量在45kg。

應用八：高速空壓機

最后介紹另外一種皇冠上的電機，飛機用驅動電機。隨著飛機電動化、半電動化的步伐加快，對高功率高速電機的需求也在上升。這將是另外一塊熱土，下圖是一款300kw@35krpm的永磁電機，采用的是集中繞組永磁電機方案，電機重量在28.4kg。

更高功率的航空電機應用在混動飛機上，作為類似增程混動架構的核心，這類電機一般采用強迫風冷結構以利用高速氣流，Honeywell的電機的功率可以達到1Mw，為了提高效率采用永磁電機多余感應電機。

令人怦然心動的高速電機應用舉不勝舉，大塊處女地待我們開發，在看熱鬧的同時，我們還可以深入學習高速電機背后的核心技術。

高速電機的關鍵技術

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。分別是散熱、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：

“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。

“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。

電機選型問題

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。

散熱的問題

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

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。

高效的問題

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0.10mm、0.08mm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

優化磁路設計提高磁場正弦性、降低諧波鐵耗；

降低磁負荷、增加熱負荷，降低基波鐵耗；

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。

軸承的問題

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。

高速電機維修說明

對于高速電機，用維修普通電機的一般方法維修，未必能修好，修好后，未必能長時間使用。根據國內外實踐經驗。介紹一下轉速為20000RPM 高速電機與一般低速電機不同的維修方法。

拆卸電樞

觀察電機運轉時碳刷與換向器之間是否產生火花，出現火花的程度，（1）是無任何火花。說明碳刷與換向器都正常，無需修理；（2）只是有2～4個極小火花。這時仔細觀察換向器表面若是平整的。大多數情況可不必修理；（3）除r有4個以F的極小火花，另有1～3個大火花，則不必拆卸電樞，只需用砂紙磨碳刷換向器；（4）如果出現4個上的大火花，則需要用砂紙磨換向器，甚至要認真地將換向器進行車加這時必須把碳刷與電樞拆卸下來。當然一巨換向器被加工后，就一定要換碳刷磨碳刷。

拆卸方法

因為在拆卸端蓋與電樞時，振動會把碳刷損壞，所 應首先把碳刷從碳刷糟中取出。又固為兩個碳 稽與挾向器的夾角未必相同，為確保在安裝時能恢復原樣，左右碳刷不會裝反，必須在取出碳刷之前。給左右碳刷做好記號。另外切記不要碰壞碳 與換向器的接觸面。

高速電機的一端一般有一個散熱風痢，在另一端也許會有一個測轉速用的磁鋼或測速環在拆卸散熱風扇葉與磁鋼或測速環時一定要小心翼翼，不能把風扇的崩葉、測速磁鋼碰壞。其次要在風扇軸套或在磁鋼軸套與軸之間也傲一個記號，以便修理完畢后可以按原來的標記位置安裝 因為高速電機的動平衡試驗是帶著扇葉或測速環（測速磁鋼）作的，所以組裝時，必須按拆卸時的記號組裝 這一點在一般電機修理中是無關緊要的小事，I面在高速電機的修理中可事關大局。因為一旦損壞測速環或風扇片，或段有按記號組裝，即使其它部分修理得很好。組裝之后，在高速運行時 也可能會引起整機的不平衡振動。

拆卸高速電機時不可用錘子、沖子? 等硬敲硬撬要用拉馬，使用拉馬時要注意：拉嗎的頂尖 要直接頂在頂尖眼上，要在拉馬頂尖與頂尖眼之同墊一保護墊，其目的是保護電樞軸上的頂尖眼避免損壞。

固定端蓋

在拆卸之前一要在七下端蓋上做上記號。以便修理后按原樣裝上。拆卸電樞上的軸承應小心清洗，清洗時用干凈的航宅汽油，待汽油干后再用7014（或7018）軸承潤滑脂填滿軸承室（高速電機的軸承不能用普通黃油、二硫化鉬）．放在干凈的地方待用；如果換向器的表面平整而且有一層紫色的光澤，這是氧化層可以保護換向器的表面，用揉軟的毛刷除去表面的粉末即可。

責任編輯：YYX