起重電機專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達(dá)2022年6月21日訊 有時會看到有人提出一種新的結(jié)構(gòu)電機，稱這種電機實現(xiàn)了很高的功率密度，只要用很少的體積和重量就可以實現(xiàn)多大功率的機電能力轉(zhuǎn)換。如何初步判斷這些新方案是否可行呢？下面我們就來說一下最主要的方法。電機的主要尺寸是指電機電樞鐵心的直徑D和長度L。
確定電機的主要尺寸是電機設(shè)計的第一步。但什么是電機的電樞鐵心呢？一般對于最普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁場旋轉(zhuǎn)電機來說，電樞鐵心直徑就是定子鐵心內(nèi)徑，長度就是定子鐵心長度。
由這個電機的轉(zhuǎn)矩T與D和L組成的圓柱體的體積（V=π/4*D2*L）成正比，上面這個體積V還與電負(fù)荷A和磁負(fù)荷B成反比。可以用下面公式表示：V = 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)。可以看到電機的體積決定于轉(zhuǎn)矩、電負(fù)荷和磁負(fù)荷。
只有電機內(nèi)有很大的電流或者磁密很高才能用較小的體積的電機產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩。而電機內(nèi)要通過大電流，就會產(chǎn)生電阻損耗和熱量，當(dāng)電流大到一定程度，電機的熱量就散發(fā)不出去，溫度就會升高到超過電機繞組絕緣能承受的最高溫度（比如F級絕緣是155℃），電機就會燒毀。
所以電流不能無限增大，有個極限。當(dāng)然，如果采用超導(dǎo)線圈，那么這個電流就可以很大，也就可以實現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)矩密度。但是現(xiàn)在我們普通電機經(jīng)濟的導(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，但付出的成本與效益不成比例。在一些特殊場合，為了追求性能，可能不惜成本。提高轉(zhuǎn)矩密度另一個方法，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。為了實現(xiàn)較高的磁密，需要大電流的電磁線圈來勵磁或者用高剩磁的永磁體勵磁。大電流的電磁線圈本身會發(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T/V轉(zhuǎn)矩密度也不會有大的提升。A和B的增加都需要材料技術(shù)的革命，所以電機的新材料發(fā)展是一個重要的方面。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、機殼水冷、蒸發(fā)冷卻等強化冷卻的技術(shù)手段。這樣才能提高電機的轉(zhuǎn)矩密度。
當(dāng)然，還有一個手段，就是在電機的內(nèi)部疊加多個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，可以增加轉(zhuǎn)矩密度，但也帶來了更復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)和更大的散熱壓力。
軸向磁場電機的V是把盤式等效為一個圓筒，所以相當(dāng)于在一個空間內(nèi)疊加了多個V，成倍地增加了轉(zhuǎn)矩密度。所以現(xiàn)在輪轂電機為了提高功率密度，采用了軸向磁場電機結(jié)構(gòu)，它需要解決好冷卻的問題，還有設(shè)計好支撐軸向磁場所引起的軸向電磁力的機械結(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，那么這個電機轉(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、超高速電機就是功率密度較高的，在汽車驅(qū)動電機領(lǐng)域驅(qū)動電機也提高了速度的上限以提高功率密度。高速的電機，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)機等，還有高速的壓縮機。如果負(fù)載是低速的，比如車輪，那么高速電機還有配上減速器才能驅(qū)動負(fù)載，例如特斯拉的高速驅(qū)動電機。目前最高的高速電機轉(zhuǎn)速達(dá)到了12萬轉(zhuǎn)以上，電機的基頻也達(dá)到了2000Hz以上。
超高速的電機需要相應(yīng)的支撐軸承，目前有主動磁懸浮的軸承和空氣動壓軸承等。提高電機的旋轉(zhuǎn)速度，能提高電機的功率密度，降低電機的體積和重量。同時有些負(fù)載設(shè)備（例如高速渦輪風(fēng)扇）在高速時效率提高，對電驅(qū)動系統(tǒng)整體的能效提升就更明顯了。
但電機轉(zhuǎn)速的提高也不是沒有限制的，高頻帶來了定子鐵耗急劇增加，發(fā)熱也越來越嚴(yán)重。設(shè)計時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提高這個極限。
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