什么是高速电机?高速电机的应用场合

高速电机具有效率高、比功率较大、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点。在先进工业国家,高速电机已广泛应用于航空、航天及模具行业。我国高速电机行业始于上世纪90年代,产品由低端向高端不断发展,市场规模也不断扩大。

怎么定义高速电机

什么是高速电机,没有明确的边界定义。一般超过10 000 r/min都可以称为高速电机。也有用转子旋转的线速度来定义,高速电机的线速度一般大于50 m/s,转子的离心应力和线速度的平方成正比,因此按线速度划分反映了转子结构设计难易程度。国外有学者采用速度和根号下功率乘积来定义高速电机,这种划分既考虑了转子的难易程度,又考量了电机的能量大小,更加科学合理。按此标准可以将高速电机定义为高速和超高速两大类。

高速电机和超高速电机的区别在于功率和转速的乘积大小。我们用三个案例来理解这个概念:

案例一是小家电里非常著名的戴森电吹风电机,这个电机是110 kr/min,1 600 W,它的根号下功率和转速的乘积为1.39×105,在上侧的图中,在高速/超高速分界线以下,属于高速电机;

案例二为Integral Powertrain公司开发的车用驱动电机,20 kr/min,450 kW,它的根号下功率和转速的乘积为4.24×105,这个乘积越大代表了高速程度越大,难度更高;

案例三是Honeywell的飞机用驱动电机,20 kr/min,1 000 kW,它的根号下功率和转速的乘积为6.3×105,属于超高速电机的范围,采用的技术也更加先进。

如果单纯就高速工作点而言,电机的难度随功率和转速乘积呈阶梯上升,因此我们可以用这个指标来评判高速电机的高速化程度。

高速电机的应用场合

高速电机的应用正在以爆炸式的方式在扩展,按高速程度来排序,有如下这些应用。

01 电动工具

westwind公司的电转产品,200 W,300 kr/min,采用无铁心的PCB绕组工艺,并且将控制芯片也集成在内,体积非常小巧,这种电转也可以用在牙科等医疗设备上。

02 分子泵

分子泵是一种获取高真空的常用物理设备,也可以用于分离空气,获得高清洁空气。这种应用的电机转速可以达32 kr/min,500 W,可以采用感应电机的方案,也可以采用集中绕组永磁电机的方案来设计。

03 分离储能飞轮

储能的细分领域有很多,有飞机上用的飞轮储能,有电站用的飞轮储能,下面这个例子是车用驱动的飞轮储能产品,其概念相当于混动汽车的电池储能或者超级电容储能,当汽车需要爆发功率时,飞轮储能电机能够作为发电机将电供给给电源。下面这款储能电机功率为30 kW转速为50 kr/min,采用感应电机的方案,转子是个实心铁块。

04 涡轮增压

电子涡轮增压是近年出现的一种新技术,其作用是给低速时汽车发动机增压,以减缓涡流迟滞现象并提高扭矩爆发力。下图是博格华纳开发的一款10 kW,100 kr/min的产品,采用的是2极24槽的永磁电机结构,因为工作环境温度较高,除了高速外,这类电机的设计还需控制磁钢损耗和温升。

05 微型燃气轮机

微型燃气轮机绝对是一种传奇产品,大概一只铅笔长的机器能够迸发出50 kW的功率,据说应用在汽车上能够减少95%的发动机体积,除了汽车外很多设备上都需要这种小型的引擎。它的工作原理如下图所示,需要一台永磁同步电机将燃烧产生的动能转化成电能。这台电机采用了2极6槽的结构。

06 高速空压机

高速空压机是目前最常见的一种大功率高速电机,转速在几万转左右,功率在100-700 kW之间,一般采用磁悬浮轴承,通过电机驱动涡轮或者叶片给空气打压。高速直驱电机代替的原来低速电机+增速器的系统,具备结构紧凑、可靠性高的优点。这类电机常用的是表贴式永磁同步电机和感应电机两种类型,相关的厂家如下图所示。

下面这个案例的离心式风扇应该也算是高速空压机的一种,采用的是4极24槽的配合的SPM电机。采用永磁电机能提高效率并减小体积。

07 车用驱动电机

车用驱动电机仍然是当前最热的领域,乘用车主流的转速在16 000 r/min以内,更高速度的电机已经在陆续开发中。下图所示是某公司开发的25 000 r/min,225 kW的感应电机,外径290 mm 叠高230 mm,最大扭矩358 N·m,采用的是水冷的结构。

为了提高功率密度,Integral Powertrain公司开发的 20 000 r/min,450 kW的永磁电机系统,最大扭矩900 N·m,其重量仅有28 kg,采用了先进的绕组喷油冷却,定子径向冷却、转子轴向冷却等一系列技术。和它配套的控制器是SiC平台。

无独有偶,AVL下一代20 000 r/min转驱动电机产品也采用油冷永磁电机技术,电机功率达到230kW,相应的重量在45 kg。

08 飞机用驱动电机

随着飞机电动化、半电动化的步伐加快,对高功率高速电机的需求也在上升。下图是一款300 kW,35 kr/min的永磁电机,采用的是集中绕组永磁电机方案,电机重量在28.4 kg。

更高功率的航空电机应用在混动飞机上,作为类似增程混动架构的核心,这类电机一般采用强迫风冷结构以利用高速气流,Honeywell的电机的功率可以达到1 MW,为了提高效率采用永磁电机多于感应电机。

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