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高速電機的應用與技術解析

產品屬性本產品采購屬于商業貿易行為

高速電機的應用與技術解析UMC系列
  • 市場價格: 1
  • 產品型號: UMC系列
  • 發布時間: 2020/5/23
  • 更新時間: 2020/5/23
  • 生產地: 歐洲
  • 訪問次數: 62次
  • 公司名稱: 蘇州高控科技有限公司

企業檔案

蘇州高控科技有限公司

1  年 營業執照已上傳

企業類型:生產商

公司地址:北京市懷柔區開放路113號南四層409室

主營產品:總線控制器,驅動器,編碼器,伺服電機,防輻射電機,激光干涉儀,防爆電機,力矩電機,直線電機,直流電機,減速機,直線運動模組/直線運動單元,電動缸/電動推桿,精密光柵,精密轉臺,精密直線平臺等;品牌括美國Kollmorgen、Thomson、Parker、Hengstler、美國Aerotech、Delta Tau、英國Renishaw、瑞士Infranor 、以色列ACS、以色列Servotronix等世界著名工控產品廠商深度合作,并建立了長期穩定的技術和商務合作關系。

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產品簡介

高速電機的應用與技術解析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。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。

詳細內容

公司簡介

高速電機應用,高速伺服電機,高速電機

1.高速電機定義

   什么是高速電機,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于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。國外有學者采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。更多信息詳詢1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6vx

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

   案例一是小家電里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,屬于高速電機;

   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,屬于超高速電機的范圍,采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;更多信息詳詢1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)

2.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展,我們大致按高速程度來排序,有如下這些應用。更多信息詳詢1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)

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。

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 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。

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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。

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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。更多信息詳詢1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)
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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。
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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。

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   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。
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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。
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   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。

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   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。

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應用八:高速空壓機

   最后介紹另外一種H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。

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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。

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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。更多信息詳詢1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)

3.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:更多信息詳詢1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)

(1)“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。

(2)“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。

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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。

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  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。 
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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。

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   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。

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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。

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   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。

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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

(1)優化磁路設計提高磁場正弦性、降低諧波鐵耗;

(2)降低磁負荷、增加熱負荷,降低基波鐵耗;

(3)從材料選型出發,選擇磁滯損耗較小的硅鋼片;

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   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。

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   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。

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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。 
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   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。

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4.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。
    最后推銷一下自己,北京高控是一家專業電機技術咨詢公司,業務領域涉及高速電機、高密度扁線電機、低成本高磁阻少稀土永磁電機、電機噪音的診斷和治理等等。想避開同質化競爭,我們的技術引擎能夠助你實現新思路、新產品。歡迎咨詢合作,更多信息詳詢1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)。

 

 

 


關鍵詞:高速電機應用  高速伺服電機  高速電機  

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