高速電機(jī)的特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

黃林，王鵬

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司，四川 成都 610100）

高速電機(jī)是當(dāng)前我國(guó)在國(guó)際電工領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要研究，許多重點(diǎn)工程建設(shè)都離不開(kāi)高速電機(jī)。高速電機(jī)具有體積小、功率大、效率高等特點(diǎn)，將其與高速負(fù)載進(jìn)行連接使用，比傳統(tǒng)機(jī)械運(yùn)行的速率更快，且噪音大大降低，其優(yōu)勢(shì)性極為明顯。將高速電機(jī)應(yīng)用于高速磨床、空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)等當(dāng)中，都具有十分有效的作用。在未來(lái)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，高速電機(jī)的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越大，發(fā)展前景也會(huì)越來(lái)越廣闊。

1 高速電機(jī)設(shè)計(jì)策略與設(shè)計(jì)特點(diǎn)的分析

從根本上來(lái)說(shuō)，高速電機(jī)和傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備擁有較大的差別，因?yàn)楦咚匐姍C(jī)無(wú)論在哪方面，都具有較大的優(yōu)勢(shì)。不僅擁有較高的轉(zhuǎn)速、較大的功率密度、較小的體積、敏捷的響應(yīng)速度和較輕的質(zhì)量，還能夠減少噪音，直接連接高速負(fù)載，大大地減去了傳統(tǒng)電機(jī)所使用的增速裝置，不僅降低了成本，也節(jié)省了材料。因此，高速電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，它主要就是圍繞著兩點(diǎn)展開(kāi)——轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)和定子的繞組電流高頻率。轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)一分鐘達(dá)到上萬(wàn)乃至十萬(wàn)次的旋轉(zhuǎn)；而定子的高頻率繞組電流則能夠在旋轉(zhuǎn)期間高于上千赫茲。

1.1 電機(jī)的高速特點(diǎn)

高速電機(jī)在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中，主要圍繞著兩點(diǎn)展開(kāi)——轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)和定子的繞組電流高頻率。轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)一分鐘達(dá)到上萬(wàn)乃至十萬(wàn)次的旋轉(zhuǎn)，圓周速度可達(dá)200m/s以上；而定子的高頻率繞組電流則能夠在旋轉(zhuǎn)期間達(dá)到千赫茲以上。而正是因其這個(gè)特性，高速發(fā)電機(jī)也會(huì)呈現(xiàn)出永磁、感應(yīng)等其他形式。而永磁電機(jī)則兼具高速度、高功率、高效率等優(yōu)勢(shì)。

1.2 功率的變換和電機(jī)的控制

在高速電機(jī)運(yùn)行中，功率的變換作用尤為重要，它能夠使得電機(jī)工作中的高頻電流轉(zhuǎn)化成恒頻的恒壓電能，讓使用者取得需要的內(nèi)容。所以，高速電機(jī)運(yùn)行中的變頻調(diào)速就更加重要，而針對(duì)高速電機(jī)的功率的變換和電機(jī)控制中難點(diǎn)還需要進(jìn)一步研究。

1.3 高速電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子的護(hù)套設(shè)計(jì)

由于永磁體自身材質(zhì)特性，其很難承受高速電機(jī)的拉應(yīng)力，因此，永磁體在使用過(guò)程中則需要采取必要的保護(hù)措施，更好地承受運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的離心力，而我們也可以發(fā)現(xiàn)，通常轉(zhuǎn)子會(huì)選擇使用護(hù)套來(lái)進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)槠洳粌H可以有效地固定永磁體，使其足夠承受靜止中產(chǎn)生的壓應(yīng)力，還能夠使其不再無(wú)法承受運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的拉應(yīng)力。而護(hù)套和永磁體的距離問(wèn)題，則需要衡量轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行速度等諸多問(wèn)題。

2 EPS電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化技術(shù)

當(dāng)下主流EPS電機(jī)類(lèi)型為永磁電機(jī)，其永磁體和鐵芯相互作用，必然會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，加劇EPS電機(jī)的振動(dòng)和噪音。近10年來(lái)，電機(jī)從業(yè)者對(duì)EPS電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩做了大量工作，通過(guò)定子斜槽、不等槽口寬、優(yōu)化極弧系數(shù)、磁極偏移等方式抑制和削弱了電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。國(guó)內(nèi)EPS電機(jī)廠家在降低齒槽轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，采用12槽8極的極槽配合，避免不平衡磁拉力的產(chǎn)生，電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)；采用3段式斜極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和開(kāi)輔助槽定子結(jié)構(gòu)，使EPS齒槽轉(zhuǎn)矩＜10mNm，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)，降低了產(chǎn)品價(jià)格，具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 位置傳感器優(yōu)化技術(shù)

雖然無(wú)位置傳感器電機(jī)控制技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但為了提高駕駛者的舒適感，降低汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，現(xiàn)階段，EPS電機(jī)多采用有位置傳感器電機(jī)，常見(jiàn)的EPS電機(jī)內(nèi)外雙齒道和開(kāi)關(guān)霍爾組合位置傳感器，其工藝復(fù)雜、信號(hào)精度低，控制算法要求高；旋變位置傳感器信號(hào)精度高，但信號(hào)處理電路復(fù)雜，溫度特性差，價(jià)格昂貴，只有少數(shù)日產(chǎn)汽車(chē)使用。針對(duì)EPS電機(jī)的特殊要求，研究出軸頭磁體和線(xiàn)性位置傳感器結(jié)構(gòu)，通過(guò)產(chǎn)生的正弦波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，數(shù)據(jù)解碼，得到電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，精準(zhǔn)控制EPS電機(jī)轉(zhuǎn)速。精度達(dá)到0.5度（機(jī)械角度），電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)，成本只是旋變位置傳感器的1/10，產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3 噪音優(yōu)化技術(shù)

汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)噪音直接影響駕駛?cè)藛T的舒適感，是決定EPS電機(jī)品質(zhì)的重要因素，EPS電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中主要包括機(jī)械、空氣動(dòng)力學(xué)和電磁噪音。由于其EPS電機(jī)不帶有冷卻風(fēng)扇，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度達(dá)到G2.5級(jí)，因此，機(jī)械和空氣動(dòng)力學(xué)噪音在EPS電機(jī)上可忽略。但電磁噪音無(wú)法完全消除，是EPS電機(jī)的主要噪音源。電磁噪音是電機(jī)氣隙基波和各次諧波磁場(chǎng)作用于定子鐵芯產(chǎn)生徑向力波引起的。當(dāng)徑向力波的某次諧波頻率與EPS電機(jī)固有頻率臨近時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音嚴(yán)重時(shí)，將會(huì)損壞EPS電機(jī)。為了降低振動(dòng)噪音對(duì)電機(jī)的破壞程度，基于麥克斯韋理論，優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)，研究降低各階次徑向力波和氣隙磁場(chǎng)響應(yīng)值。通過(guò)模態(tài)分析、電磁仿真和傅里葉分解，優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，使電機(jī)固有頻率和徑向力波頻率有較大差別，從源頭降低電機(jī)的振動(dòng)噪音。

2.4 可視化電機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)

由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)EPS電機(jī)的特殊要求，計(jì)算電機(jī)特性時(shí)，融合了電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)分析，涉及的軟件包括ansoft，workbench，ansys，comsol等。由于 EPS電機(jī)計(jì)算中用到的軟件和電機(jī)參數(shù)眾多，當(dāng)結(jié)構(gòu)變化時(shí)，其建模、邊界條件、后處理操作非常復(fù)雜，不熟悉軟件的工程師很難在短時(shí)間完成EPS電機(jī)的設(shè)計(jì)工作。為解決該難題，基于VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的可視化電機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多物理場(chǎng)的緊密聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了EPS電機(jī)設(shè)計(jì)與性能分析的參數(shù)化，提高了電機(jī)設(shè)計(jì)的效率。

3 定子結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 極數(shù)

在高速電機(jī)中，通常情況下，它的設(shè)計(jì)會(huì)分為二級(jí)或者四級(jí)。針對(duì)二級(jí)電機(jī)，永磁體方面可以直接采用整體性的結(jié)構(gòu)，根據(jù)電流和鐵芯中心部分的磁場(chǎng)交變頻率則逐漸降低，這對(duì)于降低損耗具有十分明顯的作用。二極電機(jī)的定子繞組端部較長(zhǎng)，四極電機(jī)則與之恰恰相反，四級(jí)電機(jī)的定子繞組端部相對(duì)較短，因此，其交變頻率相對(duì)較高。

3.2 槽數(shù)

在槽數(shù)的選擇方面，有以下三種方案。首先，是無(wú)槽，就是在不產(chǎn)生高頻齒諧波磁場(chǎng)的情況下，盡可能地降低轉(zhuǎn)子渦流的損耗，但是，這種方案也存在著一定的弊端，那就是永磁體產(chǎn)生的縫磁通密度較小，因此，永磁材料的利用率相對(duì)更低。其次，是少槽方案，這種方案的密度諧伏波幅值相對(duì)較大，傳子渦流的損耗也因此較大，因此，這種方案在高速電機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用是極為不利的。最后，是多槽方案，這種方案不僅材料的利用率高，而且轉(zhuǎn)子渦流損耗較低，氣隙磁通密度大。

3.3 鐵心材料

高速電機(jī)的運(yùn)行頻率相對(duì)較高，在這樣的前提下，定子鐵芯會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，為了盡可能地降低損耗程度，對(duì)于定子鐵芯材料進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，是最有效的方式之一。

3.4 定子繞組

定子繞組的端部長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)資的軸向長(zhǎng)度增加，從而影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的強(qiáng)度。如果采用環(huán)形的繞組結(jié)構(gòu)，就可以有效解決這一問(wèn)題，但是，仍然存在著一定的不足，舉例來(lái)說(shuō)線(xiàn)圈的工藝較為復(fù)雜就會(huì)帶來(lái)一定的麻煩。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的應(yīng)用發(fā)展，許多發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于高速電機(jī)方面的研究已經(jīng)較為深入。而相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)在這一方面的研究相對(duì)比較淡薄，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的水平較低。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況來(lái)看，目前，在高速電機(jī)的設(shè)計(jì)和發(fā)展方面主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：一是軸承方面，滾球軸承在高強(qiáng)度的轉(zhuǎn)速下，很可能會(huì)發(fā)生漏油問(wèn)題，且負(fù)載能力有限，價(jià)格十分昂貴。二是在電機(jī)的設(shè)計(jì)方面需要多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行支持，因此，需要結(jié)合不同種類(lèi)的外界因素進(jìn)行電機(jī)技術(shù)的研究。三是在永磁體方面，永磁體的強(qiáng)度和耐溫能力都相對(duì)較差，這對(duì)高速永磁電機(jī)的發(fā)展是極為不利的。四是我們常用的碟片轉(zhuǎn)子所能承受的離心力很小，渦流損耗卻較大，因此在這一方面就需要更為深入的探索研究。五是在定轉(zhuǎn)子的損耗方面以及相關(guān)的計(jì)算方法方面，仍然需要有所提升。

綜上所述，在高速電機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，雖然仍然存在一些問(wèn)題，但其發(fā)展空間和使用范圍十分廣泛。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，還需要相關(guān)人員不斷地進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)，為高速電機(jī)的發(fā)展提供更廣闊的空間。