高速电机的四大关键技术与实战方案

【导读】高速电机体积小、可与高速负载直接相连、省去传统的机械增速装置、减小系统噪音和提高系统传动效率。目前成功实现高速化的主要有感应电机、永磁电机、开关磁阻电机。高速电机的主要特点是转子速度高、定子绕组电流和铁心中的磁通频率高、功率密度和损耗密度大 。这些特点决定了高速电机具有不同于常速电机特有的关键技术与设计方法，设计和制造难度往往成倍大于普通速电机。

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四大类。分别是散热、选型、振动噪音、高效设计。

（1）散热

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。常见的高速电机冷却方式有内强迫风冷和内油冷。

（2）电机选型

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。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。

即刻扫码！获取方案规格书和主控IC套片信息

（3）振动噪音

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。

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。

（4）高效设计

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0.10 mm、0.08 mm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：

  ● 优化磁路设计提高磁场正弦性、降低谐波铁耗；

  ● 降低磁负荷、增加热负荷，降低基波铁耗；

  ● 从材料选型出发，选择磁滞损耗较小的硅钢片。

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。

方案推荐：基于小华HC32F460的10万RPM高速风筒实战方案

传统的吹风机转速大多在2W转左右，干发速度较慢，多利用高温干发，其缺点是非常容易损伤头发，且噪声特别大；高速吹风机一般10W转上下，不再依靠高温干发，快干不伤发，且体积小、噪音小。国内高速风筒电机多采用310V直流无刷电机或低压24V直流无刷电机，以下是某客户基于小华HC32F460推出的两种高速风筒实战方案。

基于310V直流无刷电机的方案。该方案采用220V交流供电，主控采用HC32F460，通过整流桥整流后给到电机控制端，通过DCDC与LDO降压给预驱及系统部分供电，带档位控制、加热控制、温度监测、负离子发生器等功能，方案功能框图如下所示：

基于24V高速电机的低压版方案。整体功能与上述方案相同，差别只在于电源部分，电机部分采用24V，方案框图如下所示：

方案特点

推出的两款方案均使用AMetal-FOC高性能无感算法，转速精度控制高，电机震动噪声小；电机运行在10W转时，电流稳定在5.2A，运行可靠，发热低，输出功率大，实测加速到额定转速时间小于300ms，加速度最高可达每秒40万RPM。

扫码可申请免费样片及产品技术规格书

方案推荐：基于小华HC32M140/HC32M120/HC32F460的高速电机主控方案

采用无感FOC控制系统，支持单电阻、双电阻采样，可工作在恒转速、恒功率、恒扭矩等模式下。系统最高转速可达12万转（当使用HC32F460时更可高达15万转），适用于高速吹风机、高速吸尘器等产品。

方案特点

（1）快速启动：启动稳定可靠，可在500ms内加速至额定转速

（2）快速停机：采用主动刹车，无过压、过流风险，支持掉电刹车

（3）高速控制：最高电转速可达2000+Hz

（4）工作电压范围大：适用220VAC、110VAC、24VDC供电

（5）丰富的保护功能：过欠压、过流、过功率、堵转、缺相等系统保护

快包项目推荐

项目名称：高速吹风机降本

项目详情：

1、功能：电源按键（波动开关4挡）调温按键（轻触）

2、芯片（国产）

3、技术指标/参数： 电机40/80000转  加热2200W

4、测试电机转速和电机电流，以及是否能实现风量恒定，要求过CE CB等各项认证

5、要求提供原理图、PCBA、源代码或提供芯片

6、要求有成熟经验和方案

找成熟方案、项目定制开发、想兼职接项目赚钱，请扫描二维码，我们即刻与您对接！

推荐阅读：

高集成、低功耗智能家居MCU国产替代方案

让3D打印机真正降本增效的主控方案

盘点国内外扫地机器人用主流MCU

惯性测量单元（IMU）的电路设计要点及实战案例

智能座舱：五个核心指标和PCBA方案产品