高速電機(jī)的定義

1.轉(zhuǎn)速： 有文獻(xiàn)中把轉(zhuǎn)速**過一萬轉(zhuǎn)的電機(jī)稱為高速電機(jī)，其實(shí)這種定義是較不恰當(dāng)?shù)摹兹f轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)的小功率電機(jī)不管是從電磁還是機(jī)械的角度都沒有什么技術(shù)難度。
舉個(gè)例子，nidec和戴森前年均發(fā)布了一款12萬轉(zhuǎn)的高速無刷直流風(fēng)機(jī)，功率大概在400w左右，年產(chǎn)量幾十萬臺(tái)，兩款產(chǎn)品我都見過，這兩年國內(nèi)一些小的電機(jī)廠也都在跟風(fēng)做這個(gè)，功率在200到600w之間，轉(zhuǎn)速在6萬到20萬轉(zhuǎn)之間，我之前在**上看到過一個(gè)國產(chǎn)廠家的展品，他們自稱電磁效率做到了90%以上。高速小功率電機(jī)轉(zhuǎn)矩特別小，所以電流不大，那么銅耗自然不高。鐵耗跟電機(jī)體積成正比，樣品定子直徑大概40mm左右，疊厚10mm左右，這么小巧的電機(jī)如果用上0.2的硅鋼板，轉(zhuǎn)子用磁環(huán)，那么鐵耗自然也不高，所以他們說的電磁效率90%以上應(yīng)該并不假。從機(jī)械的角度上來講，風(fēng)磨損耗是由于轉(zhuǎn)子表面與空氣摩擦產(chǎn)生的，與轉(zhuǎn)子表面粗糙度和圓柱度有很大關(guān)系，小的磁環(huán)較容易加工，粗糙度和圓柱度可以控制到很高的精度。至于說軸承，外徑20mm以內(nèi)，轉(zhuǎn)速在十幾萬轉(zhuǎn)的軸承國內(nèi)很多廠家都能做到，之前在展會(huì)上也見到過不少，幾塊錢一個(gè)。說了這么多，只是為了說明小功率的高轉(zhuǎn)速電機(jī)技術(shù)難度較低，而且這種電機(jī)量產(chǎn)直材成本完全可以控制到50塊錢以內(nèi)，很多國內(nèi)廠家都能做，所以不能以轉(zhuǎn)速來定義高速電機(jī)。
2、難度值：沈陽工大有學(xué)者提出以難度值的概念來定義高速電機(jī)，所謂難度值就是轉(zhuǎn)速與功率平方根的乘積，他們認(rèn)為難度值**過10的5次方的電機(jī)就是高速電機(jī)，按這個(gè)概念來算，一萬轉(zhuǎn)的電機(jī)，功率做到100kw才算高速電機(jī)。其實(shí)，這個(gè)概念我還是比較認(rèn)同的，單單只是把電機(jī)做到高速并不難，但是把大功率電機(jī)做到高速技術(shù)難度就比較大。但是我有兩個(gè)疑問，功率為啥要開方？10的5次方這個(gè)參數(shù)是否合理？
3、線速度：以電機(jī)轉(zhuǎn)子表面線速度來定義高速電機(jī)也是比較準(zhǔn)確的，線速度正比于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子半徑的乘積，轉(zhuǎn)子半徑也與電機(jī)功率正相關(guān)，所以線速度其實(shí)與難度值表達(dá)的意思相近。2016年的時(shí)候我們做過一款310kw的大功率電機(jī)，轉(zhuǎn)子線速度210m/s，當(dāng)時(shí)**款樣機(jī)裝起來試運(yùn)行的時(shí)候轉(zhuǎn)子硅鋼片直接爆開了，當(dāng)然原因有很多，但當(dāng)時(shí)確實(shí)是低估了高速離心力的作用，線速度**過200m/s時(shí)轉(zhuǎn)子硅鋼片就已經(jīng)很難承受離心力的作用，解決的辦法也有很多，后面再詳述。
4、軸承dn值：以軸承直徑和轉(zhuǎn)速的乘積來定義高速電機(jī)也是以較合理的，跟之前兩個(gè)一樣，大功率電機(jī)負(fù)載較大，需選用剛度較大的軸承，相應(yīng)的軸承直徑便很大，而軸承轉(zhuǎn)速便是電機(jī)轉(zhuǎn)速。工作這幾年有幸接觸過一些國內(nèi)外大型軸承廠家，關(guān)于軸承的參數(shù)和加工工藝后面詳述。
二、電機(jī)散熱
我所接觸過的電機(jī)散熱方式主要有水冷和風(fēng)冷結(jié)合，下圖為一款工業(yè)用的高速大功率電機(jī)，我們會(huì)在定子與機(jī)殼的結(jié)合面開像彈簧的螺旋形水槽，圖中的橡膠管即為進(jìn)出水管，通過流動(dòng)的水來帶走定子產(chǎn)生的熱。循環(huán)水槽的設(shè)計(jì)也是非常講究的，水槽是設(shè)計(jì)成方形、三角形還是圓形，我們是把槽的面積做小循環(huán)圈數(shù)多一點(diǎn)還是把面積做大一點(diǎn)循環(huán)圈數(shù)少一點(diǎn)，這些需要針對(duì)不同尺寸的電機(jī)做不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
轉(zhuǎn)子部分的熱主要由轉(zhuǎn)子渦流損耗、軸承摩擦損耗和轉(zhuǎn)子風(fēng)磨損耗產(chǎn)生，其中轉(zhuǎn)子渦流損耗主要由高次諧波引起的渦流損耗和齒槽引起的渦流損耗；軸承摩擦損耗比較好理解，滾珠在內(nèi)外圈之間高速滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生熱量通過內(nèi)外圈傳到軸和機(jī)殼上；風(fēng)磨損耗跟轉(zhuǎn)子表面粗糙度和圓柱度有關(guān)，這個(gè)很容易被大家忽視，我可以形象一點(diǎn)描述，轉(zhuǎn)子如果是一個(gè)**的圓形，那么轉(zhuǎn)子外表面與空氣的摩擦損耗是較低的，如果粗糙度較大，也就是**的圓形表面長出了很多尖尖刺，那么尖刺與空氣的摩擦發(fā)熱就較大了，如果轉(zhuǎn)子不是一個(gè)**的圓形，是一個(gè)橢圓形或者像過山車一樣凹凸不平，旋轉(zhuǎn)起來是不是像一個(gè)風(fēng)葉，不僅發(fā)熱大，還得消耗一部分轉(zhuǎn)矩。
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