起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無(wú)錫宏達(dá)2022年6月21日訊 有時(shí)會(huì)看到有人提出一種新的結(jié)構(gòu)電機(jī)，稱這種電機(jī)實(shí)現(xiàn)了很高的功率密度，只要用很少的體積和重量就可以實(shí)現(xiàn)多大功率的機(jī)電能力轉(zhuǎn)換。如何初步判斷這些新方案是否可行呢？下面我們就來(lái)說一下最主要的方法。電機(jī)的主要尺寸是指電機(jī)電樞鐵心的直徑D和長(zhǎng)度L。
確定電機(jī)的主要尺寸是電機(jī)設(shè)計(jì)的第一步。但什么是電機(jī)的電樞鐵心呢？一般對(duì)于最普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)說，電樞鐵心直徑就是定子鐵心內(nèi)徑，長(zhǎng)度就是定子鐵心長(zhǎng)度。
由這個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T與D和L組成的圓柱體的體積（V=π/4*D2*L）成正比，上面這個(gè)體積V還與電負(fù)荷A和磁負(fù)荷B成反比?？梢杂孟旅婀奖硎荆篤 = k *T/ (A*B)A是線負(fù)荷，也叫做電負(fù)荷，表示沿電樞圓周單位長(zhǎng)度上的安培導(dǎo)體數(shù)（總的電流）；B是磁負(fù)荷，也就是氣隙磁密的最大值。k是比例系數(shù)?？梢钥吹诫姍C(jī)的體積決定于轉(zhuǎn)矩、電負(fù)荷和磁負(fù)荷。
只有電機(jī)內(nèi)有很大的電流或者磁密很高才能用較小的體積的電機(jī)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩。而電機(jī)內(nèi)要通過大電流，就會(huì)產(chǎn)生電阻損耗和熱量，當(dāng)電流大到一定程度，電機(jī)的熱量就散發(fā)不出去，溫度就會(huì)升高到超過電機(jī)繞組絕緣能承受的最高溫度（比如F級(jí)絕緣是155℃），電機(jī)就會(huì)燒毀。
所以電流不能無(wú)限增大，有個(gè)極限。當(dāng)然，如果采用超導(dǎo)線圈，那么這個(gè)電流就可以很大，也就可以實(shí)現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)矩密度。但是現(xiàn)在我們普通電機(jī)經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)電材料還是銅、鋁為主。如果采用金、銀做導(dǎo)線，電流是可以大一點(diǎn)，但付出的成本與效益不成比例。在一些特殊場(chǎng)合，為了追求性能，可能不惜成本。提高轉(zhuǎn)矩密度另一個(gè)方法，就是提高磁負(fù)荷。提高磁負(fù)荷，就要有好的導(dǎo)磁材料。目前經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)磁材料就是電工鋼疊片。由于飽和作用，電工鋼片內(nèi)的最大磁密僅能達(dá)到2T左右。
由于齒槽的存在，所以氣隙磁密也就不到2T，一般就在1T左右。為了實(shí)現(xiàn)較高的磁密，需要大電流的電磁線圈來(lái)勵(lì)磁或者用高剩磁的永磁體勵(lì)磁。大電流的電磁線圈本身會(huì)發(fā)熱存在電流上限，高剩磁的永磁體都是采用稀有金屬，非常貴。所以磁負(fù)荷也存在上限。從上可以看出，A和B如果沒有較大的增加，這個(gè)T/V轉(zhuǎn)矩密度也不會(huì)有大的提升。A和B的增加都需要材料技術(shù)的革命，所以電機(jī)的新材料發(fā)展是一個(gè)重要的方面。導(dǎo)電材料方面沒有革命性的新材料，目前有增加槽內(nèi)銅面積的發(fā)卡結(jié)構(gòu)和降低渦流損耗的利茲線技術(shù)。導(dǎo)磁材料方面主要是勵(lì)磁的永磁體性能提高，以及低損耗薄規(guī)格硅鋼片的應(yīng)用。還有一方面就是冷卻技術(shù)的進(jìn)步，比如采用內(nèi)冷、內(nèi)部噴油冷卻、機(jī)殼水冷、蒸發(fā)冷卻等強(qiáng)化冷卻的技術(shù)手段。這樣才能提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。
當(dāng)然，還有一個(gè)手段，就是在電機(jī)的內(nèi)部疊加多個(gè)V，就像俄羅斯套娃一樣。他們的氣隙互相不干擾。這種雙氣隙設(shè)計(jì)，可以增加轉(zhuǎn)矩密度，但也帶來(lái)了更復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)和更大的散熱壓力。
軸向磁場(chǎng)電機(jī)的V是把盤式等效為一個(gè)圓筒，所以相當(dāng)于在一個(gè)空間內(nèi)疊加了多個(gè)V，成倍地增加了轉(zhuǎn)矩密度。所以現(xiàn)在輪轂電機(jī)為了提高功率密度，采用了軸向磁場(chǎng)電機(jī)結(jié)構(gòu)，它需要解決好冷卻的問題，還有設(shè)計(jì)好支撐軸向磁場(chǎng)所引起的軸向電磁力的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
所以，如果是單氣隙的結(jié)構(gòu)，那么不論采用何種方法，如果沒有大幅增加磁負(fù)荷和電負(fù)荷，那么這個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的大幅提升就沒有可能。
功率密度正比于轉(zhuǎn)矩密度與轉(zhuǎn)速的乘積。所以轉(zhuǎn)矩密度不變的情況下，提高轉(zhuǎn)速可以提高功率密度。目前出現(xiàn)的高速、超高速電機(jī)就是功率密度較高的，在汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)電機(jī)也提高了速度的上限以提高功率密度。高速的電機(jī)，不一定有高速的負(fù)載。
如果負(fù)載是高速風(fēng)扇，那還是匹配的，例如環(huán)保行業(yè)的曝氣風(fēng)機(jī)等，還有高速的壓縮機(jī)。如果負(fù)載是低速的，比如車輪，那么高速電機(jī)還有配上減速器才能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，例如特斯拉的高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)。目前最高的高速電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到了12萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，電機(jī)的基頻也達(dá)到了2000Hz以上。
超高速的電機(jī)需要相應(yīng)的支撐軸承，目前有主動(dòng)磁懸浮的軸承和空氣動(dòng)壓軸承等。提高電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，能提高電機(jī)的功率密度，降低電機(jī)的體積和重量。同時(shí)有些負(fù)載設(shè)備（例如高速渦輪風(fēng)扇）在高速時(shí)效率提高，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體的能效提升就更明顯了。
但電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高也不是沒有限制的，高頻帶來(lái)了定子鐵耗急劇增加，發(fā)熱也越來(lái)越嚴(yán)重。設(shè)計(jì)時(shí)采用降低磁密和采用高效低損薄規(guī)格電工鋼片的手段來(lái)提高這個(gè)極限。
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