什么是高速電機？高速電機的應用場合

高速電機具有效率高、比功率較大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護的優(yōu)點。在先進工業(yè)國家，高速電機已廣泛應用于航空、航天及模具行業(yè)。我國高速電機行業(yè)始于上世紀90年代，產(chǎn)品由低端向高端不斷發(fā)展，市場規(guī)模也不斷擴大。

怎么定義高速電機

什么是高速電機，沒有明確的邊界定義。一般超過10 000 r/min都可以稱為高速電機。也有用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的線速度來定義，高速電機的線速度一般大于50 m/s，轉(zhuǎn)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映了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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，這種劃分既考慮了轉(zhuǎn)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(qū)別在于功率和轉(zhuǎn)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110 kr/min，1 600 W，它的根號下功率和轉(zhuǎn)速的乘積為1.39×105,在上側(cè)的圖中，在高速/超高速分界線以下，屬于高速電機；

案例二為Integral Powertrain公司開發(fā)的車用驅(qū)動電機，20 kr/min,450 kW，它的根號下功率和轉(zhuǎn)速的乘積為4.24×105，這個乘積越大代表了高速程度越大，難度更高；

案例三是Honeywell的飛機用驅(qū)動電機，20 kr/min,1 000 kW，它的根號下功率和轉(zhuǎn)速的乘積為6.3×105，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(zhuǎn)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。

高速電機的應用場合

高速電機的應用正在以爆炸式的方式在擴展，按高速程度來排序，有如下這些應用。

01 電動工具

westwind公司的電轉(zhuǎn)產(chǎn)品，200 W，300 kr/min，采用無鐵心的PCB繞組工藝，并且將控制芯片也集成在內(nèi)，體積非常小巧，這種電轉(zhuǎn)也可以用在牙科等醫(yī)療設備上。

02 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(zhuǎn)速可以達32 kr/min,500 W，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。

03 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(qū)動的飛輪儲能產(chǎn)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(fā)功率時，飛輪儲能電機能夠作為發(fā)電機將電供給給電源。下面這款儲能電機功率為30 kW轉(zhuǎn)速為50 kr/min，采用感應電機的方案，轉(zhuǎn)子是個實心鐵塊。

04 渦輪增壓

電子渦輪增壓是近年出現(xiàn)的一種新技術，其作用是給低速時汽車發(fā)動機增壓，以減緩渦流遲滯現(xiàn)象并提高扭矩爆發(fā)力。下圖是博格華納開發(fā)的一款10 kW,100 kr/min的產(chǎn)品，采用的是2極24槽的永磁電機結(jié)構(gòu)，因為工作環(huán)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。

05 微型燃氣輪機

微型燃氣輪機絕對是一種傳奇產(chǎn)品，大概一只鉛筆長的機器能夠迸發(fā)出50 kW的功率，據(jù)說應用在汽車上能夠減少95%的發(fā)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(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化成電能。這臺電機采用了2極6槽的結(jié)構(gòu)。

06 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(zhuǎn)速在幾萬轉(zhuǎn)左右，功率在100-700 kW之間，一般采用磁懸浮軸承，通過電機驅(qū)動渦輪或者葉片給空氣打壓。高速直驅(qū)電機代替的原來低速電機+增速器的系統(tǒng)，具備結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的優(yōu)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。

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。

07 車用驅(qū)動電機

車用驅(qū)動電機仍然是當前最熱的領域，乘用車主流的轉(zhuǎn)速在16 000 r/min以內(nèi)，更高速度的電機已經(jīng)在陸續(xù)開發(fā)中。下圖所示是某公司開發(fā)的25 000 r/min,225 kW的感應電機，外徑290 mm 疊高230 mm，最大扭矩358 N·m，采用的是水冷的結(jié)構(gòu)。

為了提高功率密度，Integral Powertrain公司開發(fā)的 20 000 r/min，450 kW的永磁電機系統(tǒng)，最大扭矩900 N·m，其重量僅有28 kg，采用了先進的繞組噴油冷卻，定子徑向冷卻、轉(zhuǎn)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20 000 r/min轉(zhuǎn)驅(qū)動電機產(chǎn)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45 kg。

08 飛機用驅(qū)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。下圖是一款300 kW，35 kr/min的永磁電機，采用的是集中繞組永磁電機方案，電機重量在28.4 kg。

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(gòu)的核心，這類電機一般采用強迫風冷結(jié)構(gòu)以利用高速氣流，Honeywell的電機的功率可以達到1 MW，為了提高效率采用永磁電機多于感應電機。

審核編輯：湯梓紅