車用電機(jī)高速化是大勢(shì)所趨，高速化需要從電磁、結(jié)構(gòu)、控制等多個(gè)維度下功夫去解決。
1、初見(jiàn)-它山之石
老外在高速車用電機(jī)開發(fā)上確實(shí)是走在了我們前面，他們的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)值得借鑒。
豐田
車用永磁電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇
豐田公司發(fā)展出了Prius系列 Camry系列等多種車用永磁同步電機(jī)，可謂是該行業(yè)的領(lǐng)軍者。我們分析他們產(chǎn)品的年代序列，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速有逐步增高的趨勢(shì)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也有更替。
年份
轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
最高轉(zhuǎn)速（rpm）
最大功率（kw）
2003
一字型
6000
---
2004
V字型
6400
50
2008
V一字型
10230
165
2010
改進(jìn)V字型
13500
60
從他們的經(jīng)驗(yàn)可以看出，就高速的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而言：
一字型不如V字型結(jié)構(gòu)（2003VS2004），這是因?yàn)橐蛔值臉O弧系數(shù)大于V字，轉(zhuǎn)子上軛部（產(chǎn)生離心力的部分）的面積更大，離心力更大，而且一字型的磁橋部位承受的彎矩更大。
無(wú)中間磁橋的V字不如有中間磁橋的V字（2004 vs2010），這是因?yàn)橹胁康拇艠?，起到了分流離心應(yīng)力的作用。
從豐田的經(jīng)驗(yàn)我們可以學(xué)習(xí)到，磁橋的設(shè)置非常關(guān)鍵，增加磁橋的數(shù)目和寬度能夠提高強(qiáng)度。
BMW
BMW的i系列汽車業(yè)采用永磁同步電機(jī)，他們走的是磁阻永磁混合轉(zhuǎn)矩的路線。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，也能承受高轉(zhuǎn)速， 較豐田prius，BMW增設(shè)了更多的磁橋，他們有兩層磁鋼，每一層的磁鋼有中間、兩端四個(gè)磁橋。
車用永磁電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇
從BMW的結(jié)構(gòu)，我們學(xué)習(xí)到兩個(gè)分流離心力的方法：
增加更多的磁橋來(lái)分流應(yīng)力，中間磁橋的承擔(dān)能力強(qiáng)于兩端磁橋
分設(shè)多層磁鋼，減小每一層的壓力，最外側(cè)的磁鋼，離心力越大，因此應(yīng)該設(shè)計(jì)的最小。
2、深入-從樹木到深林
學(xué)習(xí)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手能夠讓我們快速進(jìn)步，少走彎路。但跟隨造就不了偉大的公司，也培養(yǎng)不出大師。想要更進(jìn)一步，不但需要知其所以然，還要從更大的視角去觀察問(wèn)題。永磁電機(jī)的高速化，不僅僅局限在汽車領(lǐng)域，在船用電機(jī)、電主軸電機(jī)、儲(chǔ)能電機(jī)等多領(lǐng)域都有應(yīng)用需求。而且在其它領(lǐng)域，可能走的更遠(yuǎn)。
目前的水平
在其它領(lǐng)域，高速電機(jī)已經(jīng)發(fā)展到了非常高的水平，我們面臨的問(wèn)題，前輩們?nèi)冀?jīng)歷過(guò)，有些已經(jīng)解決了，有些還在奮斗中。下面簡(jiǎn)單介紹一些案例：
2005 年 Kenny 設(shè)計(jì)一臺(tái)應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能的高速永磁同步電機(jī)，電機(jī)額定功率 1.5k W，最高轉(zhuǎn)速60000r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)子采用表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，利用碳纖維對(duì)永磁體進(jìn)行保護(hù)
2009 年 Bailey 設(shè)計(jì)了一臺(tái)應(yīng)用于石化工業(yè)離心壓縮機(jī)的高速永磁同步電動(dòng)機(jī)，這臺(tái)電機(jī)的額定功率8MW，額定轉(zhuǎn)速15000r/min。電機(jī)定子采用低損耗的硅鋼片，轉(zhuǎn)子采用了兩種軸承方案，一種是磁力軸承，一種是滾動(dòng)軸承。
韓國(guó)電工所Do-Kwan Hong 等學(xué)者在高速永磁同步電機(jī)方面也做了大量研究。Do-Kwan Hong 等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定功率5k W，額定轉(zhuǎn)速120000r/min 高速永磁同步電機(jī)。
有個(gè)前輩把已有的成就，作了細(xì)致統(tǒng)計(jì)。
（在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，SPM指的是表貼式電機(jī)，他們一般用合金鋼或者碳纖維包裹包圍。IPM指的是內(nèi)置式永磁電機(jī)。）
車用永磁電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇
車用永磁電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇
從介紹中我們能夠?qū)W習(xí)到比電動(dòng)汽車電機(jī)更高功率更高速度的結(jié)構(gòu)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。包括了內(nèi)置式IPM、表貼式SPM都已經(jīng)解決。那么他們?cè)诮鉀Q過(guò)程中遇到的關(guān)鍵矛盾是什么？
轉(zhuǎn)子外徑的矛盾
高速永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，電機(jī)正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子所受離心力較大。從減小離心力的角度出發(fā)，電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的越小越好。然而要保證電機(jī)優(yōu)越的電磁性能，轉(zhuǎn)子要有足夠的空間放置永磁體和轉(zhuǎn)軸，因此轉(zhuǎn)子直徑又不可能太小。
漏磁和強(qiáng)度的矛盾
從豐田和BMW的經(jīng)驗(yàn)中我們知道磁橋變寬會(huì)增加強(qiáng)度，但從電磁角度出發(fā)，這是不利的，因?yàn)榇艠蛟綄?，漏磁越大，相?dāng)于永磁利用率降低。下面的圖表就顯示了這個(gè)問(wèn)題。
車用永磁電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇
不同的方案，都是在不同層面上去平衡這些矛盾，下面介紹各類結(jié)構(gòu)。
3、表貼式結(jié)構(gòu)(SPM)
第一代表貼式
表貼式結(jié)構(gòu)，漏磁很小，是應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)，本身不具備抗高速能力，需要在外層包裹一層保護(hù)套。保護(hù)套一般有兩類一類是碳纖維，一類是不導(dǎo)磁的合金鋼。
車用永磁電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇
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在溫度不高的場(chǎng)合碳纖維的強(qiáng)度更好，不但強(qiáng)度更高而且電導(dǎo)率更低，但由于工藝難度和溫度限制，很多場(chǎng)合還是使用合金鋼保護(hù)套。
第二代表貼式
我們看到很多
伺服電機(jī)采用第一代表貼式結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)有個(gè)問(wèn)題：由于表面磁鋼不是均勻分布的，在保護(hù)套圓周方向形成了不均勻的離心力，導(dǎo)致保護(hù)套出現(xiàn)彎曲，承受彎矩。而對(duì)碳纖維等材料，承受彎矩是非常不利的，因此有必要解決離心力均勻分布問(wèn)題。于是又了第二代改進(jìn)結(jié)構(gòu)
車用永磁電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇
第二代結(jié)構(gòu)，作了兩重改進(jìn)，第一重就是在磁鋼和磁鋼之間增加了不導(dǎo)磁的填充物，這樣離心力的均勻性給解決了。第二重改進(jìn)是：將永磁體的多塊化。為什么如此？因?yàn)楦咝阅艿挠来朋w一般都是粉末冶金而成的,它們能承受較大的壓應(yīng)力, 但不能承受大的拉應(yīng)力, 其抗拉強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度的十分之一。永磁體在受離心力時(shí)，由于圓周跨距角較大，不同角度下的材料受的離心力方向不一致，會(huì)形成內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力是拉應(yīng)力，因此容易碎裂。分塊化就很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。
車用永磁電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇
第三代表貼式
如果第二代表貼式即解決了漏磁，又解決了強(qiáng)度問(wèn)題。那么第三代就更上一層，它還解決了氣隙磁密的正弦性問(wèn)題，讓表貼式電機(jī)也擁有了類似內(nèi)置式電機(jī)的聚磁效應(yīng)。
車用永磁電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇
在第二代的基礎(chǔ)上，將分塊的磁鋼的充磁方向略作調(diào)整區(qū)分，就形成了Halbach轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)具備磁場(chǎng)正弦性好，聚磁效應(yīng)好，漏磁小等優(yōu)點(diǎn)，使得表貼式電機(jī)的性能幾乎接近內(nèi)置式了。
4、內(nèi)置式結(jié)構(gòu)（IPM）
盡管升級(jí)后的表貼式結(jié)構(gòu)性能已經(jīng)很優(yōu)異了，但很多場(chǎng)合還是偏向于內(nèi)置式電機(jī)。這是因?yàn)椋?/div>
第一: 內(nèi)置式電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，不需要保護(hù)套、填充物等附加結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單即是美。
第二：內(nèi)置式電機(jī)有磁阻轉(zhuǎn)矩，可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
第三：內(nèi)置式的磁鋼更安全，磁鋼埋在硅鋼里面，不用直面復(fù)雜的氣隙磁場(chǎng)，減小了渦流損耗和退磁風(fēng)險(xiǎn)。
因此豐田、BMW等各大企業(yè)，都不約而同的選擇了內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，除此之外我再介紹幾種內(nèi)置式電機(jī)結(jié)構(gòu)。
車用永磁電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇
第一種結(jié)構(gòu)是一字結(jié)構(gòu)的高速化改造，將永磁體分成幾段，一方面，每段的內(nèi)應(yīng)力減小，另一方面多出了兩條加強(qiáng)筋，強(qiáng)度高了很多。但這種結(jié)構(gòu)的漏磁很大，聚磁效應(yīng)不好，性能和表貼式相仿。
第二種結(jié)構(gòu)是V字結(jié)構(gòu)的高速化改良，將V分成了三段，這種結(jié)構(gòu)的漏磁很大，但氣隙磁密正弦性很好。
第三種結(jié)果是切向結(jié)構(gòu)的高速化升級(jí)版，它繼承了切向結(jié)構(gòu)凸極比大，磁阻轉(zhuǎn)矩大，聚磁效應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)，而且磁鋼受力均勻，沒(méi)有拉應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)幾乎完美的解決了機(jī)械和電磁之間的兩大矛盾。缺點(diǎn)是軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)裝配精度要求很高。
第四種結(jié)構(gòu) 一般用在有更高要求的場(chǎng)合，將一極的磁鋼，沿水平方向和豎直方向雙向分塊。形成了磁鋼陣列。這類結(jié)構(gòu)有很大的發(fā)展空間，可以分化出許多變種，設(shè)計(jì)的好可以擁有磁阻轉(zhuǎn)矩大、氣隙磁場(chǎng)好的優(yōu)點(diǎn)。但這種結(jié)構(gòu)非高手難以駕馭。
內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的種類有很多，可以多種結(jié)構(gòu)混合組合，在這方面用功非常容易出成果，是車用永磁電機(jī)高速化的主要研究方向。
5、總結(jié)-始于足下
看到前人的成就，也許能讓你大受啟發(fā)，產(chǎn)生創(chuàng)新的沖動(dòng)。我們就像在海邊的小孩，總是為撿到一兩塊貝殼而歡心雀躍。我們所了解的只是滄海一粟， 高速電機(jī)的結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)不僅僅局限于磁極結(jié)構(gòu)，還有軸承問(wèn)題、護(hù)套渦流損耗問(wèn)題、熱變形問(wèn)題、散熱問(wèn)題、材料問(wèn)題、設(shè)計(jì)手段問(wèn)題，每一塊都足夠我們馳騁。沒(méi)有關(guān)系，我們就從當(dāng)下做起，一步一積累。多年以后，當(dāng)我們?cè)倩厥讜r(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)，不知不覺(jué)間，自己也成了前輩。
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