高速電機的特點與關鍵技術問題分析

黃林，王鵬

（中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川 成都 610100）

高速電機是當前我國在國際電工領域中的一項重要研究，許多重點工程建設都離不開高速電機。高速電機具有體積小、功率大、效率高等特點，將其與高速負載進行連接使用，比傳統機械運行的速率更快，且噪音大大降低，其優勢性極為明顯。將高速電機應用于高速磨床、空氣循環制冷系統等當中，都具有十分有效的作用。在未來的發現過程中，高速電機的應用范圍將會越來越大，發展前景也會越來越廣闊。

1 高速電機設計策略與設計特點的分析

從根本上來說，高速電機和傳統的機械設備擁有較大的差別，因為高速電機無論在哪方面，都具有較大的優勢。不僅擁有較高的轉速、較大的功率密度、較小的體積、敏捷的響應速度和較輕的質量，還能夠減少噪音，直接連接高速負載，大大地減去了傳統電機所使用的增速裝置，不僅降低了成本，也節省了材料。因此，高速電機在設計時，它主要就是圍繞著兩點展開——轉子的高速旋轉和定子的繞組電流高頻率。轉子在高速旋轉過程中，能夠實現一分鐘達到上萬乃至十萬次的旋轉；而定子的高頻率繞組電流則能夠在旋轉期間高于上千赫茲。

1.1 電機的高速特點

高速電機在現實設計中，主要圍繞著兩點展開——轉子的高速旋轉和定子的繞組電流高頻率。轉子在高速旋轉過程中，能夠實現一分鐘達到上萬乃至十萬次的旋轉，圓周速度可達200m/s以上；而定子的高頻率繞組電流則能夠在旋轉期間達到千赫茲以上。而正是因其這個特性，高速發電機也會呈現出永磁、感應等其他形式。而永磁電機則兼具高速度、高功率、高效率等優勢。

1.2 功率的變換和電機的控制

在高速電機運行中，功率的變換作用尤為重要，它能夠使得電機工作中的高頻電流轉化成恒頻的恒壓電能，讓使用者取得需要的內容。所以，高速電機運行中的變頻調速就更加重要，而針對高速電機的功率的變換和電機控制中難點還需要進一步研究。

1.3 高速電機永磁轉子的護套設計

由于永磁體自身材質特性，其很難承受高速電機的拉應力，因此，永磁體在使用過程中則需要采取必要的保護措施，更好地承受運轉過程中所產生的離心力，而我們也可以發現，通常轉子會選擇使用護套來進行保護，因為其不僅可以有效地固定永磁體，使其足夠承受靜止中產生的壓應力，還能夠使其不再無法承受運轉時的拉應力。而護套和永磁體的距離問題，則需要衡量轉子的結構和運行速度等諸多問題。

2 EPS電機關鍵技術

2.1 齒槽轉矩優化技術

當下主流EPS電機類型為永磁電機，其永磁體和鐵芯相互作用，必然會產生齒槽轉矩，加劇EPS電機的振動和噪音。近10年來，電機從業者對EPS電機齒槽轉矩做了大量工作，通過定子斜槽、不等槽口寬、優化極弧系數、磁極偏移等方式抑制和削弱了電機的齒槽轉矩。國內EPS電機廠家在降低齒槽轉矩的同時，采用12槽8極的極槽配合，避免不平衡磁拉力的產生，電機運行更平穩；采用3段式斜極轉子結構和開輔助槽定子結構，使EPS齒槽轉矩＜10mNm，達到國際領先水準，降低了產品價格，具有更強的市場競爭力。

2.2 位置傳感器優化技術

雖然無位置傳感器電機控制技術取得了長足的發展，但為了提高駕駛者的舒適感，降低汽車轉向時的轉矩波動，提升系統穩定性，現階段，EPS電機多采用有位置傳感器電機，常見的EPS電機內外雙齒道和開關霍爾組合位置傳感器，其工藝復雜、信號精度低，控制算法要求高；旋變位置傳感器信號精度高，但信號處理電路復雜，溫度特性差，價格昂貴，只有少數日產汽車使用。針對EPS電機的特殊要求，研究出軸頭磁體和線性位置傳感器結構，通過產生的正弦波旋轉磁場，數據解碼，得到電機定子和轉子的相對位置，精準控制EPS電機轉速。精度達到0.5度（機械角度），電機運行更平穩，成本只是旋變位置傳感器的1/10，產品更具競爭力。

2.3 噪音優化技術

汽車轉向時，電機噪音直接影響駕駛人員的舒適感，是決定EPS電機品質的重要因素，EPS電機在運行過程中主要包括機械、空氣動力學和電磁噪音。由于其EPS電機不帶有冷卻風扇，轉子動平衡精度達到G2.5級，因此，機械和空氣動力學噪音在EPS電機上可忽略。但電磁噪音無法完全消除，是EPS電機的主要噪音源。電磁噪音是電機氣隙基波和各次諧波磁場作用于定子鐵芯產生徑向力波引起的。當徑向力波的某次諧波頻率與EPS電機固有頻率臨近時，將會發生共振現象，產生的振動和噪音嚴重時，將會損壞EPS電機。為了降低振動噪音對電機的破壞程度，基于麥克斯韋理論，優化磁路結構，研究降低各階次徑向力波和氣隙磁場響應值。通過模態分析、電磁仿真和傅里葉分解，優化電機結構，使電機固有頻率和徑向力波頻率有較大差別，從源頭降低電機的振動噪音。

2.4 可視化電機平臺設計技術

由于轉向系統對EPS電機的特殊要求，計算電機特性時，融合了電磁場、溫度場、應力場等多物理場分析，涉及的軟件包括ansoft，workbench，ansys，comsol等。由于 EPS電機計算中用到的軟件和電機參數眾多，當結構變化時，其建模、邊界條件、后處理操作非常復雜，不熟悉軟件的工程師很難在短時間完成EPS電機的設計工作。為解決該難題，基于VB語言開發的可視化電機設計平臺，實現了多物理場的緊密聯系，實現了EPS電機設計與性能分析的參數化，提高了電機設計的效率。

3 定子結構的相關設計

3.1 極數

在高速電機中，通常情況下，它的設計會分為二級或者四級。針對二級電機，永磁體方面可以直接采用整體性的結構，根據電流和鐵芯中心部分的磁場交變頻率則逐漸降低，這對于降低損耗具有十分明顯的作用。二極電機的定子繞組端部較長，四極電機則與之恰恰相反，四級電機的定子繞組端部相對較短，因此，其交變頻率相對較高。

3.2 槽數

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

3.3 鐵心材料

高速電機的運行頻率相對較高，在這樣的前提下，定子鐵芯會產生一定的損耗，為了盡可能地降低損耗程度，對于定子鐵芯材料進行科學合理的選擇，是最有效的方式之一。

3.4 定子繞組

定子繞組的端部長，就會導致轉資的軸向長度增加，從而影響轉子系統的強度。如果采用環形的繞組結構，就可以有效解決這一問題，但是，仍然存在著一定的不足，舉例來說線圈的工藝較為復雜就會帶來一定的麻煩。

4 結語

經過一段時間的應用發展，許多發達國家對于高速電機方面的研究已經較為深入。而相對于發達國家而言，我國在這一方面的研究相對比較淡薄，產業化發展的水平較低。結合國內外的發展情況來看，目前，在高速電機的設計和發展方面主要存在以下幾點問題：一是軸承方面，滾球軸承在高強度的轉速下，很可能會發生漏油問題，且負載能力有限，價格十分昂貴。二是在電機的設計方面需要多學科知識進行支持，因此，需要結合不同種類的外界因素進行電機技術的研究。三是在永磁體方面，永磁體的強度和耐溫能力都相對較差，這對高速永磁電機的發展是極為不利的。四是我們常用的碟片轉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。五是在定轉子的損耗方面以及相關的計算方法方面，仍然需要有所提升。

綜上所述，在高速電機的發展過程中，雖然仍然存在一些問題，但其發展空間和使用范圍十分廣泛。在未來的發展過程中，還需要相關人員不斷地進行探索和發現，為高速電機的發展提供更廣闊的空間。