“正在体积更小、功率更高寻求驱动下，机电的转速一起爬升，从晚期的两三千转，一向爬升到多少万乃至多少十万转。更高的转速使患上功率密度以及原资料操纵率进步。是以高转速是强趋向，以新动力驱动为例，丰田Prius推出的第一代产物最高转速才6000rpm，到今朝的第四代产物转速到达17000rpm。 本期我们跳出新动力范畴，以更高的视角去看看转速机电的应用处合及面前的关头手艺。”

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怎样界说高速机电

甚么是高速机电，不明白的鸿沟界说。普通跨越10000rpm均可以称为高速机电。也有效转子扭转的线速度来界说，高速机电的线速度普通年夜于50m/s，转子的离心应力以及线速度的平方成反比，是以按线速度分别反映了转子布局计划难易水平。外洋有学者采纳速度以及根号下功率乘积来界说高速机电，这类分别即思索了转子的难易水平，又考量了机电的能量巨细，加倍迷信公道。按此尺度能够将高速机电界说为高速以及超高速两年夜类。

高速机电以及超高速机电的差别正在于功率以及转速的乘积巨细。我们用三个案例来了解这个观点：

案例一是小家电里很是闻名的戴森电吹风机电，这个机电是11万转1600w，它的根号下功率以及转速的乘积为：1.39*10^5,正在左边的图中，正在高速\\超高线分界限如下，属于高速机电；案例2为Integral Powertrain公司开发的车用驱动机电，2万转450kw， 它的根号下功率以及转速的乘积为：4.24*10^5；这个乘积越年夜代表了高速水平越年夜，难度更高，这以及我们的直觉是合适的；案例三Honeywell的飞机用驱动机电，2万转1000kw，它的根号下功率以及转速的乘积为：6.3*10^5，属于超高速机电的规模，采纳的手艺也加倍进步前辈；

若是纯真就高速任务点而言，机电的难度随功率以及转速乘积呈门路回升，是以我们能够用这个目标来评判高速机电的高速化水平；

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高速机电的应用处合

了解一个机电，最佳是从应用角度去领会，高速机电的应用在以爆炸式的体例正在扩大，我们年夜致按高速水平来排序，有以下这些应用。

应用一：电开工具下图是westwind公司的电转产物，200w@300krpm，采纳无铁芯的PCB绕组工艺，而且将节制芯片也集成正在内，体积很是玲珑，这类电转也能够用正在牙科等医疗设置装备摆设上。

应用两：份子泵份子泵是一种获得高真空的常用物理设置装备摆设，也能够用于分手氛围，取得高洁净氛围。这类应用的机电转速能够达32krpm@500w，能够采纳感到机电的计划，也能够采纳会合绕组永磁机电的计划来计划。

应用三：分手储能飞轮储能的细分范畴有良多，有飞机上用的飞轮储能，有电站用的飞轮储能，上面这个例子是车用驱动的飞轮储能产物，其观点相称于混动汽车的电池储能或许超等电容储能，当汽车需要迸发功率时，飞轮储能机电可以或许作为发机电将电供应给电源。上面这款储能机电功率为30kw转速为5万转，采纳感到机电的计划，转子是个实心铁块。

应用四：涡轮增压电子涡轮增压是最近几年呈现的一种新手艺，其感化是给低速时汽车策动机增压，以缓解涡流通畅景象并进步扭矩迸发力。下图是博格华纳开发的一款10kw@十万转的产物，采纳的是2极24槽的永磁机电布局，由于任务情况温度较高，除高速外，这种机电的计划还需 节制磁钢消耗以及温升。

应用五：微型燃气轮机微型燃气轮机相对是一种传奇产物，以下图所示大要一只铅笔长的机械可以或许爆发出50kw的功率，听说应用正在汽车上可以或许削减95%的策动机体积，除汽车外良多设置装备摆设上都需要这类小型的引擎。它的任务道理以下图所示，需要一台永磁同步机电将熄灭发生的动能转化成电能。这台机电采纳了2极6槽的布局。

应用六：高速空压机高速空压机是今朝最多见的一种年夜功率高速机电，转速正在多少万转摆布，功率正在100-700kw之间，普通采纳磁悬浮轴承，经由过程机电驱动涡轮或许叶片给氛围打压。高速直驱机电取代的本来低速机电+增速器的零碎，具有布局松散、可靠性高的长处。这种机电常用的是表贴式永磁同步机电以及感到机电两品种型，相干的厂家以下图所示。

上面这个案例的离心式电扇该当也算是高速空压机的一种，采纳的是4极24槽的共同的SPM机电。采纳永磁机电能进步服从并减小体积。

应用七：车用驱动机电车用驱动机电依然是以后最热的范畴，乘用车支流的转速正在16000rpm之内，更高速度的机电曾经正在连续开发中。下图所示是某巨细开发的25000rpm225kw的感到机电，外径290妹妹 叠高230妹妹，最年夜扭矩358Nm，采纳的是水冷的布局。

为了进步功率密度，Integral Powertrain公司开发的 2万转450kw的永磁机电零碎，最年夜扭矩900Nm，其分量唯一28kg，采纳了进步前辈的绕组喷油冷却，定子径向冷却、转子轴向冷却等一系列手艺。以及它配套的节制器是SiC平台。

不足为奇，AVL下一代2万转驱动机电产物也采纳油冷永磁机电手艺，机电功率到达230kw，响应的分量正在45kg。

应用八：高速空压机最初引见别的一种皇冠上的机电，飞机用驱动机电。跟着飞电机动化、半电动化的步伐加速，对于高功率高速机电的需求也正在回升。这将是别的一块热土，下图是一款300kw@35krpm的永磁机电，采纳的是会合绕组永磁机电计划，机电分量正在28.4kg。

更高功率的航空机电应用正在混动飞机上，作为近似增程混动架构的焦点，这种机电普通采纳逼迫风冷布局以操纵高速气流，Honeywell的机电的功率能够到达1Mw，为了进步服从采纳永磁机电过剩感到机电。

使人怦然心动的高速机电应用不胜枚举，年夜块童贞地待我们开发，正在看繁华的同时，我们还能够深切进修高速机电面前的焦点手艺。

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高速机电的关头手艺

高速、超高速的应用远景广漠但同时给机电带来了极高的应战，我们将这些问题归并同类项后发明有六年夜类。别离是散热、选型、转子布局、振动乐音、高效计划、轴承。

散热的问题机电消耗随转速多少级数进步， 高消耗发生的热使患上机电温升极速晋升，为保持高速运转，必需计划散热杰出的冷却体例。我们能看到罕见的高速机电冷却体例为：

“内逼迫风冷”以下图所示，强凉风可以或许间接吹入机电外部带走绕组以及铁芯上的热量，这类体例普通呈现正在空压机、鼓风机、飞电机机这种原本就有强风可操纵的场所。“内油冷”正在机电必需封锁防护，或许无强风的应用情况中，采纳至多的是内油冷体例，好比AVL 计划的高速机电采纳的 定子槽内油冷的体例的组合。有些机电也采纳绕组喷油冷却+定子油冷+转子油冷等多种体例的组合。

为了完成高功率密度、发烧以及冷倒是高速机电必需要面临的主要问题。

机电选型问题永磁机电仍是感到机电？仍是开关磁阻等别的范例的机电，高速机电品种的挑选一向是一个不尺度谜底的问题。普通从功率密度以及服从的角度动身，挑选永磁机电比力有劣势，而从可靠性动身挑选感到机电以及开关磁阻机电。但由于振动乐音较年夜，开关磁阻的应用较少。

下图是后人统计的分歧转速以及功率下高速机电的品种分派纪律，将机电的"功率*转速值" 画成等高曲线，我们可以或许发明一些年夜致的头绪： "正在超高的应用中感到机电占多数，正在高速的应用中感到机电以及永磁机电共存"。只需遵照这条准绳，我们就可以正在规模内按照需求挑选机电范例。

散热的问题高速机电的转子布局必需要降服的离心应力，普通正在“高速”的规模内采纳金属护套、转子自己布局（如Ipm的鱼骨架、IM的转子布局）等，而正在“超高速”的规模内采纳碳纤维环绕纠缠，或许爽性将转子做成实心一体布局，如储能飞轮的机电。

年夜大都永磁高速机电采纳的是转子护套的布局，此类计划也很是考究，即要庇护永磁体，又要避免护套掉效。是以要只管即便防止呈现应力会合的环境，以下图所示，若磁钢没有填满全部圆周，则会正在护套以及磁钢上都呈现应力会合，这也便是为何高速永磁机电都采纳完好圆环磁钢的缘由，若是做不可完好圆环也采纳添补物将圆周填满。

振动乐音的问题 振动乐音的问题是高速机电一年夜拦路虎。比拟通俗机电，即有转子能源学发生的振动问题，好比转子的临界转速问题，轴的偏偏摆振动问题。也有高频电磁力发生的啸叫问题，高速机电的电磁力频次更高，散布规模更广，极易激发定子零碎共振。

为了不临界转速振动，高速机电的转子计划很是关头，需要作严酷的模态阐发以及测试。正在计划时需要将长径比作为优化变量：转子计划过粗短，可以或许进步临界转速的下限，不容易发作共振，但转子降服离心应力的难度会增添。反过去转子计划的颀长，离心强度问题改进，但临界转速下移，呈现共振几率进步，并且电磁功率也会随之降低。是以转子的计划需要频频均衡，是高速机电计划的重中之重。

高效的问题机电消耗随转速多少级数进步， 高消耗使患上机电服从快速衰减，为了完成高效，必需管理好各种消耗。以铁耗为例，为了降低涡流消耗，普通采纳0.10妹妹、0.08妹妹的超薄硅钢片。超薄片可以或许降低涡流消耗但改进没有了磁滞消耗，是以超薄片的铁耗磁滞消耗占年夜头，而通俗片中涡流消耗占年夜头。改进磁滞消耗，能够从上面三条门路动身

优化磁路计划进步磁场正弦性、降低谐波铁耗；降低磁负荷、增添热负荷，降低基波铁耗；从资料选型动身，挑选磁滞消耗较小的硅钢片；

除铁耗以外，高速机电还要额定关注AC消耗，这些消耗是因为高频交变磁场渗入招致的，常常呈现正在磁钢外、金属护套、定子绕组概况。以管理磁钢的AC消耗为例，常用的方式是将磁钢分红多段，能够正在径向分段也能够轴向分段。分段可以或许减小涡流环流面积，降低AC消耗，下图是分段以后涡流场的仿真，可知分段颗粒数越多AC消耗越小。除分段以外另有更多的处理计划，限于篇幅没有作睁开。

高速机电中频次最高的磁场成份是由变频器的PWM载波导入的，由于脉冲调制的任务道理不成防止的呈现高频电流谐波，这些电流又进一步发生出了高频磁场，高频磁场渗入入磁钢、定转子概况发生高频消耗。有些高速机电采纳多电平驱动布局来改进PWM边频带谐波。

轴承的问题 高速机电的轴承挑选是关头的问题，普通有磁悬浮、氛围轴承、滑念头械轴承、滚珠机器轴承四年夜类能够选型。磁悬浮轴承应用正在较年夜功率的场所，氛围轴承应用正在功率以及尺寸较小的场所。机器轴承常常需要油光滑，正在良多无油应用中受限定。

高速机电关头问题以及手艺另有良多，需要同时管理好这些问题，比拟通俗机电门坎高，难度年夜。需要采纳力-磁-热-NVH多物理场耦合的体例来计划，是新的应战也是新的机缘。

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总结

本文引见了高速机电的八年夜类应用以及六种关头手艺。总的来讲高速机电是一种远景普遍，手艺应战极高的应用。有些手艺看起来离我们很远，但从成长的角度我们可以或许看到“浅高速-中高速-超高速-超超高速”的头绪一向正在演进。比拟十年前，现在一两万的转机电曾经习以为常。是以高速化是“持久主义”，会迟缓的改动财产的款式。是以不管是寻觅新范畴机遇，仍是晋升现有产物合作力，高速化手艺都是值患上持久投资的范畴。

来历：核能源蜗牛机电产物手艺前线

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