高速電機的應用和關鍵技術

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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6000rpm，到目前的第四代產品轉速達到17000rpm。 本期我們跳出新能源領域，以更高的視角去看看轉速電機的應用場合及背後的關鍵技術。

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怎麼定義高速電機

什麼是高速電機，沒有明確的邊界定義。一般超過10000rpm都可以稱為高速電機。也有用轉子旋轉的線速度來定義，高速電機的線速度一般大於50m/s，轉子的離心應力和線速度的平方成正比，因此按線速度劃分反應了轉子結構設計難易程度。國外有學者採用速度和根號下功率乘積來定義高速電機，這種劃分即考慮了轉子的難易程度，又考量了電機的能量大小，更加科學合理。按此標準可以將高速電機定義為

高速

和

超高速

兩大類。

高速電機和超高速電機的區別在於功率和轉速的乘積大小。我們用三個案例來理解這個概念：

案例一是小家電裡非常著名的戴森電吹風電機，這個電機是11萬轉1600w，它的根號下功率和轉速的乘積為：1。39*10^5，在左側的圖中，在高速\超高線分界線以下，屬於高速電機；

案例二為Integral Powertrain公司開發的車用驅動電機，2萬轉450kw， 它的根號下功率和轉速的乘積為：4。24*10^5；這個乘積越大代表了高速程度越大，難度更高，這和我們的直覺是符合的；

案例三Honeywell的飛機用驅動電機，2萬轉1000kw，它的根號下功率和轉速的乘積為：6。3*10^5，屬於超高速電機的範圍，採用的技術也更加先進；

如果單純就高速工作點而言，電機的難度隨功率和轉速乘積呈階梯上升，因此我們可以用這個指標來評判高速電機的

高速化程度

；

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高速電機的應用場合

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充套件，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，採用無鐵芯的PCB繞組工藝，並且將控制晶片也整合在內，體積非常小巧，這種電轉也可以用在牙科等醫療裝置上。

應用二：分子泵

分子泵是一種獲取高真空的常用物理裝置，也可以用於分離空氣，獲得高畫質潔空氣。這種應用的電機轉速可以達32krpm@500w，可以採用感應電機的方案，也可以採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，其概念相當於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，採用感應電機的方案，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並提高扭矩爆發力。下圖是博格華納開發的一款10kw@十萬轉的產品，採用的是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，如下圖所示大概一隻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，除了汽車外很多裝置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。這臺電機採用了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，一般採用磁懸浮軸承，透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型別，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，採用的是4極24槽的配合的SPM電機。採用永磁電機能提高效率並減小體積。

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，採用的是水冷的結構。

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，採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採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

最後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，採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，這類電機一般採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，為了提高效率採用永磁電機多餘感應電機。

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後的核心技術。

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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，我們將這些問題合併同類項後發現有六大類。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，為維持高速執行，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，採用最多的是內油冷方式，比如AVL 設計的高速電機採用的 定子槽內油冷的方式的組合。有些電機也採用 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型別的電機，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，我們就能在範圍內根據需求選擇電機型別。

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”的範圍內採用金屬護套、轉子本身結構（如Ipm的魚骨架、IM的轉子結構）等，而在 “超 高速” 的範圍內採用碳纖維纏繞，或者乾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採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。因此要儘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，這也就是為什麼高速永磁電機都採用完整圓環磁鋼的原因，如果做不成完整圓環也採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，分佈範圍更廣，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最佳化變數：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，出現共振機率提高，而且電磁功率也會隨之下降。因此轉子的設計需要反覆平衡，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，一般採用0。10mm、0。08mm的超薄矽鋼片。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佔大頭，而普通片中渦流損耗佔大頭。改善磁滯損耗，可以從下面三條路子出發

最佳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 磁滯損耗較小的矽鋼片；

除了鐵耗之外，高速電機還要額外關注AC損耗，這些損耗是由於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，下圖是分段之後渦流場的模擬，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，限於篇幅不作展開。

高速電機中頻率最高的磁場成分是由變頻器的PWM載波匯入的，因為脈衝調製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。有些高速電機採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。需要採用力-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。

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總結

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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