高速电机的六大问题

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：“内强迫风冷”，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。“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0.10mm、0.08mm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