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高速电机为什么难搞?六大技术问题才是关键

发布时间:2023年12月7日 | 文章来源:今日电机 | 浏览次数:499 | 访问原文

“在体积更小、功率更高追求驱动下,电机的转速一路攀升,从早期的两三千转,一直攀升到几万甚至几十万转,更高的转速使得功率密度和原材料利用率提高。因此高转速是强趋势,以新能源驱动为例,丰田Prius推出的第一代产品最高转速才6000 r/min,到第四代产品转速达到17000 r/min。本期我们用更高的视角去看看转速电机的应用场合及背后的关键技术。”
高速、超高速的应用前景广阔但同时给电机带来了极高的挑战,我们将这些问题合并同类项后发现有六大类:散热、选型、转子结构、振动噪音、高效设计、轴承。

散热的问题

电机损耗随转速几何级数提高,高损耗产生的热使得电机温升极速提升,为维持高速运行,必须设计散热良好的冷却方式。我们能看到常见的高速电机冷却方式为:
  1. 内强迫风冷”如下图所示,强冷风能够直接吹入电机内部带走绕组和铁芯上的热量,这种方式一般出现在空压机、鼓风机、飞机电机这类本来就有强风可利用的场合。
  2. 内油冷”在电机必须封闭防护,或者无强风的应用环境中,采用最多的是内油冷方式,比如AVL设计的高速电机采用的定子槽内油冷的方式的组合。有些电机也采用绕组喷油冷却+定子油冷+转子油冷等多种方式的组合。

为了实现高功率密度、发热和冷却是高速电机必须要面对的重要问题。

电机选型问题

永磁电机还是感应电机?还是开关磁阻等其它类型的电机,高速电机种类的选择一直是一个没有标准答案的问题。一般从功率密度和效率的角度出发,选择永磁电机比较有优势,而从可靠性出发选择感应电机和开关磁阻电机。但因为振动噪音较大,开关磁阻的应用较少。
下图是前人统计的不同转速和功率下高速电机的种类分配规律,将电机的“功率*转速值”画成等高曲线,我们能够发现一些大致的脉络:“在超高的应用中感应电机居多,在高速的应用中感应电机和永磁电机共存”。只要遵循这条原则,我们就能在范围内根据需求选择电机类型。

转子结构的问题

高速电机的转子结构必须要克服的离心应力,一般在“高速”的范围内采用金属护套、转子本身结构(如Ipm的鱼骨架、IM的转子结构)等,而在“超高速”的范围内采用碳纤维缠绕,或者干脆将转子做成实心一体结构,如储能飞轮的电机。
大多数永磁高速电机采用的是转子护套的结构,此类设计也非常讲究,即要保护永磁体,又要防止护套失效。因此要尽量避免出现应力集中的情况,如下图所示,若磁钢不填满整个圆周,则会在护套和磁钢上都出现应力集中,这也就是为什么高速永磁电机都采用完整圆环磁钢的原因,如果做不成完整圆环也采用填充物将圆周填满。

震动噪音的问题

振动噪音的问题是高速电机一大拦路虎。相比普通电机,即有转子动力学产生的振动问题,比如转子的临界转速问题,轴的偏摆振动问题。也有高频电磁力产生的啸叫问题,高速电机的电磁力频率更高,分布范围更广,极易激起定子系统共振。
为了避免临界转速振动,高速电机的转子设计非常关键,需要作严格的模态分析和测试。在设计时需要将长径比作为优化变量:转子设计过粗短,能够提高临界转速的上限,不易发生共振,但转子克服离心应力的难度会增加。反过来转子设计的细长,离心强度问题改善,但临界转速下移,出现共振概率提高,而且电磁功率也会随之下降。因此转子的设计需要反复平衡,是高速电机设计的重中之重。

高效的问题

电机损耗随转速几何级数提高, 高损耗使得电机效率快速衰减,为了实现高效,必须治理好各类损耗。以铁耗为例,为了降低涡流损耗,一般采用0.10 mm、0.08 mm的超薄硅钢片。超薄片能够降低涡流损耗但改善不了磁滞损耗,因此超薄片的铁耗磁滞损耗占大头,而普通片中涡流损耗占大头。改善磁滞损耗,可以从下面三条路子出发:
  1. 优化磁路设计提高磁场正弦性、降低谐波铁耗;
  2. 降低磁负荷、增加热负荷,降低基波铁耗;
  3. 从材料选型出发,选择磁滞损耗较小的硅钢片。
除了铁耗之外,高速电机还要额外关注AC损耗,这些损耗是由于高频交变磁场渗透导致的,往往出现在磁钢外、金属护套、定子绕组表面。以治理磁钢的AC损耗为例,常用的方法是将磁钢分成多段,可以在径向分段也可以轴向分段。分段能够减小涡流环流面积,降低AC损耗,下图是分段之后涡流场的仿真,可知分段颗粒数越多AC损耗越小。除了分段之外还有更多的解决方案,限于篇幅不作展开。
高速电机中频率最高的磁场成分是由变频器的PWM载波导入的,因为脉冲调制的工作原理不可避免的出现高频电流谐波,这些电流又进一步产生出了高频磁场,高频磁场渗透入磁钢、定转子表面产生高频损耗。有些高速电机采用多电平驱动结构来改善PWM边频带谐波。

轴承的问题

高速电机的轴承选择是关键的问题,一般有磁悬浮、空气轴承、滑动机械轴承、滚珠机械轴承四大类可以选型。磁悬浮轴承应用在较大功率的场合,空气轴承应用在功率和尺寸较小的场合。机械轴承往往需要油润滑,在很多无油应用中受限制。
高速电机关键问题和技术还有很多,需要同时治理好这些问题,相比普通电机门槛高,难度大。需要采用力-磁-热-NVH多物理场耦合的方式来设计,是新的挑战也是新的机遇。
本文介绍了高速电机的八大类应用和六种关键技术。总的来说高速电机是一种前景广泛,技术挑战极高的应用。有些技术看起来离我们很远,但从发展的角度我们能够看到“浅高速-中高速-超高速-超超高速”的脉络一直在演进。相比十年前,如今一两万的转电机已经司空见惯。因此高速化是“长期主义”,会缓慢的改变产业的格局。因此无论是寻找新领域机会,还是提升现有产品竞争力,高速化技术都是值得长期投资的领域。