欢迎您来到阿仪网 请登录 免费注册

买仪器仪表产品 我要成为会员 收藏本站

阿仪网Logo
快速采购
色谱仪离心机试验机 试验箱天平 流量计压力表传感器 反应釜光度计
广告
您的位置: 阿仪网 > 产品展厅 >  智能控制 >  运动伺服 >  伺服电机 >  高速电机的应用与技术解析

高速电机的应用与技术解析

产品属性本产品采购属于商业贸易行为

高速电机的应用与技术解析UMC系列
  • 市场价格: 1
  • 产品型号: UMC系列
  • 发布时间: 2020/5/23
  • 更新时间: 2020/5/23
  • 生产地: 欧洲
  • 访问次数: 51次
  • 公司名称: 苏州高控科技有限公司

企业档案

苏州高控科技有限公司

1  年 营业执照已上传

企业类型:生产商

公司地址:北京市怀柔区开放路113号南四层409室

主营产品:总线控制器,驱动器,编码器,伺服电机,防辐射电机,激光干涉仪,防爆电机,力矩电机,直线电机,直流电机,减速机,直线运动模组/直线运动单元,电动缸/电动推杆,精密光栅,精密转台,精密直线平台等;品牌括美国Kollmorgen、Thomson、Parker、Hengstler、美国Aerotech、Delta Tau、英国Renishaw、瑞士Infranor 、以色列ACS、以色列Servotronix等世界著名工控产品厂商深度合作,并建立了长期稳定的技术和商务合作关系。

展开更多

产品简介

高速电机的应用与技术解析本文介绍了高速电机的八大类应用和六种关键技术。总的来说高速电机是一种前景广泛,技术挑战极高的应用。有些技术看起来离我们很远,但从发展的角度我们能够看到“浅高速-中高速-超高速-超超高速”的脉络一直在演进。因此无论是寻找新领域机会,还是提升现有产品竞争力,高速化技术都是值得长期投资的领域。

详细内容

公司简介

高速电机应用,高速伺服电机,高速电机

1.高速电机定义

   什么是高速电机,没有明确的边界定义。一般超过10000rpm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50m/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应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,这种划分即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。更多信息详询1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6vx

 1.jpg

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11万转1600w,它的根号下功率和转速的乘积为:1.39*10^5,在左侧的图中,在高速\超高线分界线以下,属于高速电机;

   案例二为Integral Powertrain公司开发的车用驱动电机,2万转450kw,它的根号下功率和转速的乘积为:4.24*10^5;这个乘积越大代表了高速程度越大,难度更高,这和我们的直觉是符合的;

   案例三Honeywell的飞机用驱动电机,2万转1000kw,它的根号下功率和转速的乘积为:6.3*10^5,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;更多信息详询1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)

2.高速电机的应用场合

理解一个电机,最好是从应用角度去了解,高速电机的应用正在以爆炸式的方式在扩展,我们大致按高速程度来排序,有如下这些应用。更多信息详询1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)

应用一:电动工具

下图是westwind公司的电转产品,200w@300krpm,采用无铁芯的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。

2.jpg

 应用二: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32krpm@500w,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。

 3.jpg

应用三: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30kw转速为5万转,采用感应电机的方案,转子是个实心铁块。

4.jpg
用四: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10kw@十万转的产品,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。更多信息详询1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)
5.jpg

应用五:微型燃气轮机

   微型燃气轮机绝对是一种传奇产品,如下图所示大概一只铅笔长的机器能够迸发出50kw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。
6.jpg

应用六: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100-700kw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。

7.jpg 

   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。
8.jpg

应用七: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16000rpm以内,更高速度的电机已经在陆续开发中。下图所示是某大小开发的25000rpm225kw的感应电机,外径290mm 叠高230mm,最大扭矩358Nm,采用的是水冷的结构。
9.jpg

   为了提高功率密度,Integral Powertrain公司开发的 2万转450kw的永磁电机系统,最大扭矩900Nm,其重量仅有28kg,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。

10.jpg 

   无独有偶,AVL下一代2万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45kg。

 11.jpg

   

应用八:高速空压机

   最后介绍另外一种H冠上的电机,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。这将是另外一块热土,下图是一款300kw@35krpm的永磁电机,采用的是集中绕组永磁电机方案,电机重量在28.4kg。

12.jpg

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1Mw,为了提高效率采用永磁电机多余感应电机。

 13.jpg

令人怦然心动的高速电机应用举不胜举,大块处女地待我们开发,在看热闹的同时,我们还可以深入学习高速电机背后的核心技术。更多信息详询1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)

3.高速电机的关键技术

   高速、超高速的应用前景广阔但同时给电机带来了极高的挑战,我们将这些问题合并同类项后发现有六大类。分别是散热、选型、转子结构、振动噪音、高效设计、轴承。

散热的问题

电机损耗随转速几何级数提高, 高损耗产生的热使得电机温升极速提升,为维持高速运行,必须设计散热良好的冷却方式。我们能看到常见的高速电机冷却方式为:更多信息详询1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)

(1)“内强迫风冷”如下图所示,强冷风能够直接吹入电机内部带走绕组和铁芯上的热量,这种方式一般出现在空压机、鼓风机、飞机电机这类本来就有强风可利用的场合。

(2)“内油冷”在电机必须封闭防护,或者无强风的应用环境中,采用最多的是内油冷方式,比如AVL 设计的高速电机采用的 定子槽内油冷的方式的组合。有些电机也采用绕组喷油冷却+定子油冷+转子油冷等多种方式的组合。

 14.jpg

15.jpg 

   

为了实现高功率密度、发热和冷却是高速电机必须要面对的重要问题。

电机选型问题

   永磁电机还是感应电机?还是开关磁阻等其它类型的电机,高速电机种类的选择一直是一个没有标准答案的问题。一般从功率密度和效率的角度出发,选择永磁电机比较有优势,而从可靠性出发选择感应电机和开关磁阻电机。但因为振动噪音较大,开关磁阻的应用较少。

16.jpg

  下图是前人统计的不同转速和功率下高速电机的种类分配规律,将电机的"功率*转速值" 画成等高曲线,我们能够发现一些大致的脉络: "在超高的应用中感应电机居多,在高速的应用中感应电机和永磁电机共存"。只要遵循这条原则,我们就能在范围内根据需求选择电机类型。 
17.jpg

散热的问题

   高速电机的转子结构必须要克服的离心应力,一般在“高速”的范围内采用金属护套、转子本身结构(如Ipm的鱼骨架、IM的转子结构)等,而在“超高速”的范围内采用碳纤维缠绕,或者干脆将转子做成实心一体结构,如储能飞轮的电机。

18.jpg 

   大多数永磁高速电机采用的是转子护套的结构,此类设计也非常讲究,即要保护永磁体,又要防止护套失效。因此要尽量避免出现应力集中的情况,如下图所示,若磁钢不填满整个圆周,则会在护套和磁钢上都出现应力集中,这也就是为什么高速永磁电机都采用完整圆环磁钢的原因,如果做不成完整圆环也采用填充物将圆周填满。

19.jpg

振动噪音的问题

   振动噪音的问题是高速电机一大拦路虎。相比普通电机,即有转子动力学产生的振动问题,比如转子的临界转速问题,轴的偏摆振动问题。也有高频电磁力产生的啸叫问题,高速电机的电磁力频率更高,分布范围更广,极易激起定子系统共振。

20.jpg 

   为了避免临界转速振动,高速电机的转子设计非常关键,需要作严格的模态分析和测试。在设计时需要将长径比作为优化变量:转子设计过粗短,能够提高临界转速的上限,不易发生共振,但转子克服离心应力的难度会增加。反过来转子设计的细长,离心强度问题改善,但临界转速下移,出现共振概率提高,而且电磁功率也会随之下降。因此转子的设计需要反复平衡,是高速电机设计的重中之重。

21.jpg

高效的问题

   电机损耗随转速几何级数提高, 高损耗使得电机效率快速衰减,为了实现高效,必须治理好各类损耗。以铁耗为例,为了降低涡流损耗,一般采用0.10mm、0.08mm的超薄硅钢片。超薄片能够降低涡流损耗但改善不了磁滞损耗,因此超薄片的铁耗磁滞损耗占大头,而普通片中涡流损耗占大头。改善磁滞损耗,可以从下面三条路子出发

(1)优化磁路设计提高磁场正弦性、降低谐波铁耗;

(2)降低磁负荷、增加热负荷,降低基波铁耗;

(3)从材料选型出发,选择磁滞损耗较小的硅钢片;

 22.jpg 

   除了铁耗之外,高速电机还要额外关注AC损耗,这些损耗是由于高频交变磁场渗透导致的,往往出现在磁钢外、金属护套、定子绕组表面。以治理磁钢的AC损耗为例,常用的方法是将磁钢分成多段,可以在径向分段也可以轴向分段。分段能够减小涡流环流面积,降低AC损耗,下图是分段之后涡流场的仿真,可知分段颗粒数越多AC损耗越小。除了分段之外还有更多的解决方案,限于篇幅不作展开。

23.jpg 

   高速电机中频率最高的磁场成分是由变频器的PWM载波导入的,因为脉冲调制的工作原理不可避免的出现高频电流谐波,这些电流又进一步产生出了高频磁场,高频磁场渗透入磁钢、定转子表面产生高频损耗。有些高速电机采用多电平驱动结构来改善PWM边频带谐波。

 24.jpg

轴承的问题

   高速电机的轴承选择是关键的问题,一般有磁悬浮、空气轴承、滑动机械轴承、滚珠机械轴承四大类可以选型。磁悬浮轴承应用在较大功率的场合,空气轴承应用在功率和尺寸较小的场合。机械轴承往往需要油润滑,在很多无油应用中受限制。 
25.jpg
   高速电机关键问题和技术还有很多,需要同时治理好这些问题,相比普通电机门槛高,难度大。需要采用力-磁-热-NVH多物理场耦合的方式来设计,是新的挑战也是新的机遇。

 26.jpg

4.总结

    本文介绍了高速电机的八大类应用和六种关键技术。总的来说高速电机是一种前景广泛,技术挑战极高的应用。有些技术看起来离我们很远,但从发展的角度我们能够看到“浅高速-中高速-超高速-超超高速”的脉络一直在演进。相比十年前,如今一两万的转电机已经司空见惯。因此高速化是“长期主义”,会缓慢的改变产业的格局。因此无论是寻找新领域机会,还是提升现有产品竞争力,高速化技术都是值得长期投资的领域。
    最后推销一下自己,北京高控是一家专业电机技术咨询公司,业务领域涉及高速电机、高密度扁线电机、低成本高磁阻少稀土永磁电机、电机噪音的诊断和治理等等。想避开同质化竞争,我们的技术引擎能够助你实现新思路、新产品。欢迎咨询合作,更多信息详询1-8-6-8-6-3-4-6-0-6-6(vx)。

 

 

 


关键词:高速电机应用  高速伺服电机  高速电机  

在线咨询

 您最近阅读过的产品

公司同类产品

免责声明:以上所展示的[高速电机的应用与技术解析]由会员[苏州高控科技有限公司]自行提供,[高速电机的应用与技术解析]内容的真实性、准确性和合法性由发布会员[苏州高控科技有限公司]负责。[阿仪网]对此不承担任何责任

友情提醒:为规避购买风险,建议您在购买相关产品前务必确认供应商资质以及产品质量!

返回顶部

进入展台

在线询价