高速电机的特点与关键技术问题分析

黄林，王鹏

（中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川 成都 610100）

高速电机是当前我国在国际电工领域中的一项重要研究，许多重点工程建设都离不开高速电机。高速电机具有体积小、功率大、效率高等特点，将其与高速负载进行连接使用，比传统机械运行的速率更快，且噪音大大降低，其优势性极为明显。将高速电机应用于高速磨床、空气循环制冷系统等当中，都具有十分有效的作用。在未来的发现过程中，高速电机的应用范围将会越来越大，发展前景也会越来越广阔。

1 高速电机设计策略与设计特点的分析

从根本上来说，高速电机和传统的机械设备拥有较大的差别，因为高速电机无论在哪方面，都具有较大的优势。不仅拥有较高的转速、较大的功率密度、较小的体积、敏捷的响应速度和较轻的质量，还能够减少噪音，直接连接高速负载，大大地减去了传统电机所使用的增速装置，不仅降低了成本，也节省了材料。因此，高速电机在设计时，它主要就是围绕着两点展开——转子的高速旋转和定子的绕组电流高频率。转子在高速旋转过程中，能够实现一分钟达到上万乃至十万次的旋转；而定子的高频率绕组电流则能够在旋转期间高于上千赫兹。

1.1 电机的高速特点

高速电机在现实设计中，主要围绕着两点展开——转子的高速旋转和定子的绕组电流高频率。转子在高速旋转过程中，能够实现一分钟达到上万乃至十万次的旋转，圆周速度可达200m/s以上；而定子的高频率绕组电流则能够在旋转期间达到千赫兹以上。而正是因其这个特性，高速发电机也会呈现出永磁、感应等其他形式。而永磁电机则兼具高速度、高功率、高效率等优势。

1.2 功率的变换和电机的控制

在高速电机运行中，功率的变换作用尤为重要，它能够使得电机工作中的高频电流转化成恒频的恒压电能，让使用者取得需要的内容。所以，高速电机运行中的变频调速就更加重要，而针对高速电机的功率的变换和电机控制中难点还需要进一步研究。

1.3 高速电机永磁转子的护套设计

由于永磁体自身材质特性，其很难承受高速电机的拉应力，因此，永磁体在使用过程中则需要采取必要的保护措施，更好地承受运转过程中所产生的离心力，而我们也可以发现，通常转子会选择使用护套来进行保护，因为其不仅可以有效地固定永磁体，使其足够承受静止中产生的压应力，还能够使其不再无法承受运转时的拉应力。而护套和永磁体的距离问题，则需要衡量转子的结构和运行速度等诸多问题。

2 EPS电机关键技术

2.1 齿槽转矩优化技术

当下主流EPS电机类型为永磁电机，其永磁体和铁芯相互作用，必然会产生齿槽转矩，加剧EPS电机的振动和噪音。近10年来，电机从业者对EPS电机齿槽转矩做了大量工作，通过定子斜槽、不等槽口宽、优化极弧系数、磁极偏移等方式抑制和削弱了电机的齿槽转矩。国内EPS电机厂家在降低齿槽转矩的同时，采用12槽8极的极槽配合，避免不平衡磁拉力的产生，电机运行更平稳；采用3段式斜极转子结构和开辅助槽定子结构，使EPS齿槽转矩＜10mNm，达到国际领先水准，降低了产品价格，具有更强的市场竞争力。

2.2 位置传感器优化技术

虽然无位置传感器电机控制技术取得了长足的发展，但为了提高驾驶者的舒适感，降低汽车转向时的转矩波动，提升系统稳定性，现阶段，EPS电机多采用有位置传感器电机，常见的EPS电机内外双齿道和开关霍尔组合位置传感器，其工艺复杂、信号精度低，控制算法要求高；旋变位置传感器信号精度高，但信号处理电路复杂，温度特性差，价格昂贵，只有少数日产汽车使用。针对EPS电机的特殊要求，研究出轴头磁体和线性位置传感器结构，通过产生的正弦波旋转磁场，数据解码，得到电机定子和转子的相对位置，精准控制EPS电机转速。精度达到0.5度（机械角度），电机运行更平稳，成本只是旋变位置传感器的1/10，产品更具竞争力。

2.3 噪音优化技术

汽车转向时，电机噪音直接影响驾驶人员的舒适感，是决定EPS电机品质的重要因素，EPS电机在运行过程中主要包括机械、空气动力学和电磁噪音。由于其EPS电机不带有冷却风扇，转子动平衡精度达到G2.5级，因此，机械和空气动力学噪音在EPS电机上可忽略。但电磁噪音无法完全消除，是EPS电机的主要噪音源。电磁噪音是电机气隙基波和各次谐波磁场作用于定子铁芯产生径向力波引起的。当径向力波的某次谐波频率与EPS电机固有频率临近时，将会发生共振现象，产生的振动和噪音严重时，将会损坏EPS电机。为了降低振动噪音对电机的破坏程度，基于麦克斯韦理论，优化磁路结构，研究降低各阶次径向力波和气隙磁场响应值。通过模态分析、电磁仿真和傅里叶分解，优化电机结构，使电机固有频率和径向力波频率有较大差别，从源头降低电机的振动噪音。

2.4 可视化电机平台设计技术

由于转向系统对EPS电机的特殊要求，计算电机特性时，融合了电磁场、温度场、应力场等多物理场分析，涉及的软件包括ansoft，workbench，ansys，comsol等。由于 EPS电机计算中用到的软件和电机参数众多，当结构变化时，其建模、边界条件、后处理操作非常复杂，不熟悉软件的工程师很难在短时间完成EPS电机的设计工作。为解决该难题，基于VB语言开发的可视化电机设计平台，实现了多物理场的紧密联系，实现了EPS电机设计与性能分析的参数化，提高了电机设计的效率。

3 定子结构的相关设计

3.1 极数

在高速电机中，通常情况下，它的设计会分为二级或者四级。针对二级电机，永磁体方面可以直接采用整体性的结构，根据电流和铁芯中心部分的磁场交变频率则逐渐降低，这对于降低损耗具有十分明显的作用。二极电机的定子绕组端部较长，四极电机则与之恰恰相反，四级电机的定子绕组端部相对较短，因此，其交变频率相对较高。

3.2 槽数

在槽数的选择方面，有以下三种方案。首先，是无槽，就是在不产生高频齿谐波磁场的情况下，尽可能地降低转子涡流的损耗，但是，这种方案也存在着一定的弊端，那就是永磁体产生的缝磁通密度较小，因此，永磁材料的利用率相对更低。其次，是少槽方案，这种方案的密度谐伏波幅值相对较大，传子涡流的损耗也因此较大，因此，这种方案在高速电机中进行应用是极为不利的。最后，是多槽方案，这种方案不仅材料的利用率高，而且转子涡流损耗较低，气隙磁通密度大。

3.3 铁心材料

高速电机的运行频率相对较高，在这样的前提下，定子铁芯会产生一定的损耗，为了尽可能地降低损耗程度，对于定子铁芯材料进行科学合理的选择，是最有效的方式之一。

3.4 定子绕组

定子绕组的端部长，就会导致转资的轴向长度增加，从而影响转子系统的强度。如果采用环形的绕组结构，就可以有效解决这一问题，但是，仍然存在着一定的不足，举例来说线圈的工艺较为复杂就会带来一定的麻烦。

4 结语

经过一段时间的应用发展，许多发达国家对于高速电机方面的研究已经较为深入。而相对于发达国家而言，我国在这一方面的研究相对比较淡薄，产业化发展的水平较低。结合国内外的发展情况来看，目前，在高速电机的设计和发展方面主要存在以下几点问题：一是轴承方面，滚球轴承在高强度的转速下，很可能会发生漏油问题，且负载能力有限，价格十分昂贵。二是在电机的设计方面需要多学科知识进行支持，因此，需要结合不同种类的外界因素进行电机技术的研究。三是在永磁体方面，永磁体的强度和耐温能力都相对较差，这对高速永磁电机的发展是极为不利的。四是我们常用的碟片转子所能承受的离心力很小，涡流损耗却较大，因此在这一方面就需要更为深入的探索研究。五是在定转子的损耗方面以及相关的计算方法方面，仍然需要有所提升。

综上所述，在高速电机的发展过程中，虽然仍然存在一些问题，但其发展空间和使用范围十分广泛。在未来的发展过程中，还需要相关人员不断地进行探索和发现，为高速电机的发展提供更广阔的空间。