我們都知道電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低與電機(jī)的體積重量密切相關(guān)，同樣功率的電機(jī)轉(zhuǎn)速越高體積重量越小。隨著電機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，高速越來(lái)越被人們重視，許多高速設(shè)備希望去掉變速箱，直接用高速電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)（即所謂的"直驅(qū)"），以簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低成本、提升效率。從電機(jī)本身來(lái)講，也希望通過(guò)提高轉(zhuǎn)速減小體積重量以降低成本。因此，近年來(lái)高速電機(jī)的需求越來(lái)越大，但是研發(fā)高速電機(jī)的難度不是一般的大，那是相當(dāng)?shù)拇?，難在哪呢？
1、軸承的限制。旋轉(zhuǎn)電機(jī)都離不開(kāi)軸承，傳統(tǒng)的軸承除了它的承載能力外還有一個(gè)重要的制約條件，那就是它的dn值（其實(shí)這個(gè)值代表了軸承檔的線速度），所謂dn值就是軸承檔的直徑與轉(zhuǎn)速的乘積，一般來(lái)講，軸承的dn值不能超過(guò)2*10^6，如果電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高功率又比較大，那必然會(huì)受到這個(gè)值的制約，采用一般的軸承就不能滿足要求了。解決這個(gè)問(wèn)題一方面需要軸承行業(yè)提高技術(shù)，另一方面需要另辟蹊徑，采用一些新技術(shù)，如氣懸浮軸承、磁懸浮軸承等。
2、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)限制。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子上的零部件必然會(huì)受到強(qiáng)大離心力的作用，還有氣隙磁場(chǎng)徑向和切向電磁力的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速高到一定程度，則相關(guān)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就會(huì)受到制約，特別是轉(zhuǎn)子繞組端部、磁鋼的緊固結(jié)構(gòu)、槽根部、槽契緊固結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子鑄鋁結(jié)構(gòu)或銅條焊接、換向器等零部件和結(jié)構(gòu)都會(huì)受到制約，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和緊固方法已不能滿足要求，必須采取特殊的設(shè)計(jì)和工藝來(lái)保證。解決這方面的新技術(shù)包括高強(qiáng)度不銹鋼套、磁鋼內(nèi)嵌設(shè)計(jì)技術(shù)、高強(qiáng)度玻璃纖維打箍技術(shù)、高強(qiáng)度碳纖維打箍技術(shù)、焊接新技術(shù)、高強(qiáng)度硅鋼材料技術(shù)、實(shí)心轉(zhuǎn)子技術(shù)等。
3、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)限制。一般電機(jī)的轉(zhuǎn)速都會(huì)遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的一階臨界轉(zhuǎn)速，稱(chēng)為"剛性轉(zhuǎn)子"，不必考慮轉(zhuǎn)子二階以上的振動(dòng)模態(tài)和變形，但高速電機(jī)轉(zhuǎn)速可能會(huì)超過(guò)一階甚至二階臨界轉(zhuǎn)速，稱(chēng)為"柔性轉(zhuǎn)子"，這種轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)就像面條一樣軟，這就必須要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，采取相應(yīng)的抑制措施。需要的技術(shù)包括轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的仿真計(jì)算、柔性轉(zhuǎn)子的平衡技術(shù)、轉(zhuǎn)子剛度平衡技術(shù)、軸鋼材料技術(shù)等。
4、發(fā)熱及冷卻方面的限制。高速電機(jī)體積重量小，是其突出優(yōu)點(diǎn)，但體積的減小必然帶來(lái)散熱面積的減小，而電機(jī)的效率是不會(huì)有太大差異的，這就意味著同功率電機(jī)的損耗（即發(fā)熱量）差異不大，而散熱面積差異很大，因此高速電機(jī)的冷卻散熱問(wèn)題就顯得非常突出。另一方面從電機(jī)發(fā)熱角度看，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速，通常頻率會(huì)很高，而鐵耗與頻率的1.3~1.5次方成正比，因此鐵耗增大會(huì)非常突出，另外轉(zhuǎn)速高使得風(fēng)磨損耗和雜散損耗也會(huì)急劇惡化，老師就曾見(jiàn)過(guò)由于轉(zhuǎn)子表面光潔度不夠，高速運(yùn)行時(shí)僅空氣摩擦就把轉(zhuǎn)子表面燒變顏色的案例。一方面散熱惡化，另一方面發(fā)熱也不消停，再加上由于轉(zhuǎn)子緊固結(jié)構(gòu)需要打箍或鑲不銹鋼套，不銹鋼套是金屬良導(dǎo)電體，會(huì)增加轉(zhuǎn)子雜散損耗，而打箍材料無(wú)論是玻璃鋼還是碳纖維都是熱的不良導(dǎo)體，各種因素的疊加使得高速電機(jī)的溫升成為一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。解決途徑包括電磁和熱計(jì)算技術(shù)、冷卻技術(shù)（如蒸發(fā)冷卻技術(shù)等）和冷卻結(jié)構(gòu)、材料技術(shù)等。
5、振動(dòng)噪聲限制。振動(dòng)和噪聲是電機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)，高速電機(jī)由于轉(zhuǎn)速很高，使得激振頻率很高，加之電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，質(zhì)量較輕，阻尼比較小，振型豐富，易產(chǎn)生各種頻率的振動(dòng)。振動(dòng)是噪聲之源，振動(dòng)大則結(jié)構(gòu)噪聲必然會(huì)大，且由于轉(zhuǎn)速高也容易產(chǎn)生較大的空氣噪聲。試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到還未達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速振動(dòng)和噪聲就已經(jīng)大得無(wú)法繼續(xù)試驗(yàn)下去了。因此減振降噪是高速電機(jī)必須解決的問(wèn)題，也是特別難搞定的問(wèn)題，需要在電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面綜合考慮。
6、結(jié)構(gòu)尺寸方面的限制。從理論上講，高速電機(jī)尺寸較小是其優(yōu)勢(shì)，但與低速電機(jī)相比，同功率的電機(jī)如果電壓也相同，那么電流就會(huì)相同或相近，所用的引出線截面并不會(huì)減小，在相對(duì)低速的電機(jī)中，由于電機(jī)體積較大，有足夠大的空間布置引出線，電纜引出往往不存在問(wèn)題，而高速電機(jī)內(nèi)部空間尺寸狹小，特別是繞組端部，往往沒(méi)有空間容納截面較大的引出電纜，因此高速電機(jī)的電纜引出就成了一個(gè)大問(wèn)題，必須專(zhuān)門(mén)予以考慮。甚至不得不為此專(zhuān)門(mén)放大體積尺寸，使得高速電機(jī)體積小的優(yōu)勢(shì)大打折扣。
7、控制方面的限制。高速電機(jī)通常都要用變頻器進(jìn)行控制，由于轉(zhuǎn)速高，導(dǎo)致基頻很高，而電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率是有限的，而且開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高會(huì)使器件發(fā)熱嚴(yán)重，變頻器效率降低。在一定的開(kāi)關(guān)頻率下，調(diào)制出較高的基頻必然使得調(diào)制比降低，諧波增大，波形變差，進(jìn)一步惡化電機(jī)的發(fā)熱和效率，從而制約了轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高。通常配高速電機(jī)的變頻器需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。
8、加工方面的限制。高速電機(jī)尺寸配合精度高，形位公差和粗糙度要求高，需要精密的加工設(shè)備和工藝來(lái)保證。除此之外由于高速電機(jī)的許多特殊設(shè)計(jì)往往要靠特殊的工藝技術(shù)來(lái)保證，如特殊的焊接工藝（離子束焊、電子束焊、攪拌摩擦焊等）、碳纖維打箍工藝、薄壁件精密機(jī)加工藝、高速動(dòng)平衡工藝等等。
9、材料限制。前面已經(jīng)說(shuō)了，高速電機(jī)會(huì)涉及到許多新材料的應(yīng)用，如高強(qiáng)度低損耗導(dǎo)磁材料、耐高溫稀土永磁材料、高強(qiáng)度玻璃纖維和碳纖維材料、耐高dv/dt絕緣材料等等。
10、電磁兼容方面的限制。高速電機(jī)基波頻率已很高，加之高次諧波較大，使得電磁發(fā)射能量較大，不僅傳導(dǎo)發(fā)射大，高頻輻射也成為不得不重點(diǎn)考慮的因素，否則會(huì)對(duì)周?chē)娖髟O(shè)備造成電磁干擾; 又由于高速電機(jī)轉(zhuǎn)速高，若對(duì)其控制不僅需要分辨率高的傳感器，而且控制信號(hào)的頻率會(huì)更高，控制器動(dòng)態(tài)性能要求更高，這勢(shì)必造成控制器的敏感性高，抗干擾能力變差。因此高速電機(jī)的電磁兼容性能也是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。
1、軸承的限制。旋轉(zhuǎn)電機(jī)都離不開(kāi)軸承，傳統(tǒng)的軸承除了它的承載能力外還有一個(gè)重要的制約條件，那就是它的dn值（其實(shí)這個(gè)值代表了軸承檔的線速度），所謂dn值就是軸承檔的直徑與轉(zhuǎn)速的乘積，一般來(lái)講，軸承的dn值不能超過(guò)2*10^6，如果電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高功率又比較大，那必然會(huì)受到這個(gè)值的制約，采用一般的軸承就不能滿足要求了。解決這個(gè)問(wèn)題一方面需要軸承行業(yè)提高技術(shù)，另一方面需要另辟蹊徑，采用一些新技術(shù)，如氣懸浮軸承、磁懸浮軸承等。
2、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)限制。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子上的零部件必然會(huì)受到強(qiáng)大離心力的作用，還有氣隙磁場(chǎng)徑向和切向電磁力的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速高到一定程度，則相關(guān)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就會(huì)受到制約，特別是轉(zhuǎn)子繞組端部、磁鋼的緊固結(jié)構(gòu)、槽根部、槽契緊固結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子鑄鋁結(jié)構(gòu)或銅條焊接、換向器等零部件和結(jié)構(gòu)都會(huì)受到制約，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和緊固方法已不能滿足要求，必須采取特殊的設(shè)計(jì)和工藝來(lái)保證。解決這方面的新技術(shù)包括高強(qiáng)度不銹鋼套、磁鋼內(nèi)嵌設(shè)計(jì)技術(shù)、高強(qiáng)度玻璃纖維打箍技術(shù)、高強(qiáng)度碳纖維打箍技術(shù)、焊接新技術(shù)、高強(qiáng)度硅鋼材料技術(shù)、實(shí)心轉(zhuǎn)子技術(shù)等。
3、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)限制。一般電機(jī)的轉(zhuǎn)速都會(huì)遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的一階臨界轉(zhuǎn)速，稱(chēng)為"剛性轉(zhuǎn)子"，不必考慮轉(zhuǎn)子二階以上的振動(dòng)模態(tài)和變形，但高速電機(jī)轉(zhuǎn)速可能會(huì)超過(guò)一階甚至二階臨界轉(zhuǎn)速，稱(chēng)為"柔性轉(zhuǎn)子"，這種轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)就像面條一樣軟，這就必須要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，采取相應(yīng)的抑制措施。需要的技術(shù)包括轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的仿真計(jì)算、柔性轉(zhuǎn)子的平衡技術(shù)、轉(zhuǎn)子剛度平衡技術(shù)、軸鋼材料技術(shù)等。
4、發(fā)熱及冷卻方面的限制。高速電機(jī)體積重量小，是其突出優(yōu)點(diǎn)，但體積的減小必然帶來(lái)散熱面積的減小，而電機(jī)的效率是不會(huì)有太大差異的，這就意味著同功率電機(jī)的損耗（即發(fā)熱量）差異不大，而散熱面積差異很大，因此高速電機(jī)的冷卻散熱問(wèn)題就顯得非常突出。另一方面從電機(jī)發(fā)熱角度看，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速，通常頻率會(huì)很高，而鐵耗與頻率的1.3~1.5次方成正比，因此鐵耗增大會(huì)非常突出，另外轉(zhuǎn)速高使得風(fēng)磨損耗和雜散損耗也會(huì)急劇惡化，老師就曾見(jiàn)過(guò)由于轉(zhuǎn)子表面光潔度不夠，高速運(yùn)行時(shí)僅空氣摩擦就把轉(zhuǎn)子表面燒變顏色的案例。一方面散熱惡化，另一方面發(fā)熱也不消停，再加上由于轉(zhuǎn)子緊固結(jié)構(gòu)需要打箍或鑲不銹鋼套，不銹鋼套是金屬良導(dǎo)電體，會(huì)增加轉(zhuǎn)子雜散損耗，而打箍材料無(wú)論是玻璃鋼還是碳纖維都是熱的不良導(dǎo)體，各種因素的疊加使得高速電機(jī)的溫升成為一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。解決途徑包括電磁和熱計(jì)算技術(shù)、冷卻技術(shù)（如蒸發(fā)冷卻技術(shù)等）和冷卻結(jié)構(gòu)、材料技術(shù)等。
5、振動(dòng)噪聲限制。振動(dòng)和噪聲是電機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)，高速電機(jī)由于轉(zhuǎn)速很高，使得激振頻率很高，加之電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，質(zhì)量較輕，阻尼比較小，振型豐富，易產(chǎn)生各種頻率的振動(dòng)。振動(dòng)是噪聲之源，振動(dòng)大則結(jié)構(gòu)噪聲必然會(huì)大，且由于轉(zhuǎn)速高也容易產(chǎn)生較大的空氣噪聲。試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到還未達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速振動(dòng)和噪聲就已經(jīng)大得無(wú)法繼續(xù)試驗(yàn)下去了。因此減振降噪是高速電機(jī)必須解決的問(wèn)題，也是特別難搞定的問(wèn)題，需要在電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面綜合考慮。
6、結(jié)構(gòu)尺寸方面的限制。從理論上講，高速電機(jī)尺寸較小是其優(yōu)勢(shì)，但與低速電機(jī)相比，同功率的電機(jī)如果電壓也相同，那么電流就會(huì)相同或相近，所用的引出線截面并不會(huì)減小，在相對(duì)低速的電機(jī)中，由于電機(jī)體積較大，有足夠大的空間布置引出線，電纜引出往往不存在問(wèn)題，而高速電機(jī)內(nèi)部空間尺寸狹小，特別是繞組端部，往往沒(méi)有空間容納截面較大的引出電纜，因此高速電機(jī)的電纜引出就成了一個(gè)大問(wèn)題，必須專(zhuān)門(mén)予以考慮。甚至不得不為此專(zhuān)門(mén)放大體積尺寸，使得高速電機(jī)體積小的優(yōu)勢(shì)大打折扣。
7、控制方面的限制。高速電機(jī)通常都要用變頻器進(jìn)行控制，由于轉(zhuǎn)速高，導(dǎo)致基頻很高，而電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率是有限的，而且開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高會(huì)使器件發(fā)熱嚴(yán)重，變頻器效率降低。在一定的開(kāi)關(guān)頻率下，調(diào)制出較高的基頻必然使得調(diào)制比降低，諧波增大，波形變差，進(jìn)一步惡化電機(jī)的發(fā)熱和效率，從而制約了轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高。通常配高速電機(jī)的變頻器需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。
8、加工方面的限制。高速電機(jī)尺寸配合精度高，形位公差和粗糙度要求高，需要精密的加工設(shè)備和工藝來(lái)保證。除此之外由于高速電機(jī)的許多特殊設(shè)計(jì)往往要靠特殊的工藝技術(shù)來(lái)保證，如特殊的焊接工藝（離子束焊、電子束焊、攪拌摩擦焊等）、碳纖維打箍工藝、薄壁件精密機(jī)加工藝、高速動(dòng)平衡工藝等等。
9、材料限制。前面已經(jīng)說(shuō)了，高速電機(jī)會(huì)涉及到許多新材料的應(yīng)用，如高強(qiáng)度低損耗導(dǎo)磁材料、耐高溫稀土永磁材料、高強(qiáng)度玻璃纖維和碳纖維材料、耐高dv/dt絕緣材料等等。
10、電磁兼容方面的限制。高速電機(jī)基波頻率已很高，加之高次諧波較大，使得電磁發(fā)射能量較大，不僅傳導(dǎo)發(fā)射大，高頻輻射也成為不得不重點(diǎn)考慮的因素，否則會(huì)對(duì)周?chē)娖髟O(shè)備造成電磁干擾; 又由于高速電機(jī)轉(zhuǎn)速高，若對(duì)其控制不僅需要分辨率高的傳感器，而且控制信號(hào)的頻率會(huì)更高，控制器動(dòng)態(tài)性能要求更高，這勢(shì)必造成控制器的敏感性高，抗干擾能力變差。因此高速電機(jī)的電磁兼容性能也是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。
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