高速电机电路设计难点解析与器件选型

发布时间：2024-10-31 阅读量：1232 来源: 我爱方案网作者: bebop

高速电机具有体积小、功率密度高的特点，可以直接与高速负载相连，消除了传统的机械增速装置，降低了系统噪声，提高了系统传动效率。高速电机应用比较广，包括高速磨床、燃料电池、储能飞轮、国际电工等领域，具有良好的市场前景。

高速电机在设计方面与普通电机存在较大差别，设计时重点考虑电机高速运转对转子强度，轴承适应性，损耗散热等方面的特殊要求。快包分析师在文中详细介绍了高速电机六大关键技术挑战，并推荐高速电机应用中采用的主流电子器件与应用案例：

扫码可申请免费样片以及获取产品技术规格书

一、散热问题

高速电机的损耗随转速的升高而显著增加，这导致电机产生大量的热量。因此，设计有效的冷却系统至关重要。常见的冷却方式包括内强迫风冷、内油冷和复合冷却等。这些冷却方式需要精确控制风流方向和流量，以确保电机在高速运行时得到有效冷却。

二、电机类型选择

在选择电机类型时，需要考虑电机的功率密度和效率。永磁电机在高速领域有优势，因为它们能提供高效率和良好的功率因数。然而，感应电机在可靠性方面表现更好，尤其是在振动和噪音控制方面。

三、转子结构设计

高速电机的转子需要特别设计以承受高速旋转带来的离心力和力。常见的设计包括金属护套、整体结构（如储能飞轮的电机）和分段结构（如磁钢分段）。这些设计不仅要考虑减少离心应力，还要减少电磁力和振动。

四、振动和噪音控制

高速电机的振动和噪音问题尤为突出，这主要是由于高速旋转产生的力和电磁力引起的。控制这些振动和噪音需要精确的转子动力学分析和优化，以及有效的隔音和减振措施。

五、损耗和效率

高速电机的损耗主要包括铁耗、铜耗和杂散损耗等。这些损耗在高速运行时会导致效率显著下降。因此，设计时需要采用优化的磁路设计、选用高效的材料和改进的冷却系统，以减少损耗并提高效率。

六、轴承设计

高速电机的轴承需要能够承受极高的转速和力。常见的轴承类型包括磁悬浮轴承、空气轴承和陶瓷滚珠轴承等。这些轴承需要具有良好的高速性能和耐久性。

元件选型与应用案例

1.高速电机方案

方案可选用HC32M140、HC32M120、HC32F460作为主控，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

快速启动：启动稳定可靠，可在500ms内加速至额定转速

快速停机：采用主动刹车，无过压、过流风险，支持掉电刹车

高速控制：最高电转速可达2000+Hz

工作电压范围大：适用220VAC、110VAC、24VDC供电

丰富的保护功能：过欠压、过流、过功率、堵转、缺相等系统保护

应用场景：

吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电领域。

2.电动工具方案

方案以HC32M140为主控芯片，基于无传感器六步换相控制算法，实现BLDC电机大扭矩启动和高速运行，保护功能齐全，适用于电钻、角磨机、冲击钻、电动扳手、电锤等低压中小功率电动工具应用场景。

方案特点

48MHz主频、8KB RAM/128KB Flash内存资源、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER

基础功能：反电动势过零检测算法（支持ADC和比较器）、电流/电压采样

复杂工况：静止堵转启动、低速大扭矩运行、顺逆风启动、刹车功能

系统保护：过流保护、过压/欠压保护、长时间堵转保护

支持多种转速设定信号（PWM、ADC等）

3.高速吹风筒方案

方案简介：

高速吹风筒方案采用小华超低功耗HC32M120主控MCU，内置先进的无位置传感器FOC控制策略，实现连续平稳的风机调速系统，具备顺风、逆风、静止状态下无抖动即时启动功能，30cm距离测量运行噪音75db以下，为行业中上水平;启动稳定性好，一次启动成功率可达99.7%以上；运行效率高，220V机种，10.5万RPM最高风速档位运行，PCBA级实测输入功率92W，优于市场主流方案。

方案特点：

快速启动：启动稳定可靠，可在500ms内加速至额定转速

快速停机：采用主动刹车，无过压、过流风险，支持掉电刹车

高速控制：最高电转速可达2000+Hz

工作电压范围大：适用220VAC、110VAC、24VDC供电

丰富的保护功能：过欠压、过流、过功率、堵转、缺相等系统保护

芯片资料：

方案采用小华HC32M120主控MCU，M0+ 内核，32bit, 48MHz可确保FOC算法运行，芯片内部集成了电机控制功能：最大12通道的12bit 1MSPS ADC，8个多功能16bit Timer(TimerB)支持输入捕捉、输出比较、PWM输出，1个16bit Timer(Timer0)支持异步计数以及电机算法加速引擎等功能，具备转速精度控制高，电机震动噪声小等优势。

应用场景：

吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电领域。

4.电动自行车

方案简介：电动自行车电驱控制板方案以HC32M120为主控芯片，同MOS、Gate_Drivers、LDO及其他外围电路构成。主要功能：EBS、能量回馈、HDC、霍尔修复、相序自识别、一线通、三速、GB_25KM、1:1电动助力等。

方案特点：

48MHz主频、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER、温度范围：-40℃~105℃

丰富的基础函数库、SVPWM系统、电机专用控制库模块

FOC控制系统优势（正弦电流、转矩平稳、低噪音）

平地/坡道/溜坡/滑行/带载启动优势（启动转矩大、重载启动高可靠）

客制化控制流程优势（丰富的模块化电机库）

完善的系统保护功能（过流、过压、欠压、堵转、飞车、短路等保护）

5.洗衣机变频控制方案

方案以HC32F460为主控芯片，单芯片实现洗涤电机与烘干风机的双电机变频控制；采用无感FOC控制算法，运行噪音低，电流谐波小；支持多种采样方式，内置放大器和比较器，节省BOM成本；完善的系统保护功能：过压、欠压、过流、堵转、缺相等；支持异常情况下的紧急停机功能。

方案特点：

1.200MHz 32bit ARM Cortex-M4内核MCU HC32F460

2.支持FPU，大幅度提升算力

3.高效Cache，保证CPU零等待执行性能

4.多功能PWM Timer，支持多个电机控制

5.12位2Msps高精度ADC单元，灵活支持多种采样方式

6.内置PGA、CMP

7.EMB可独立控制每个通道

8.系列丰富，封装从48Pin到100Pin，适应不同设计需求

应用领域：冰箱、空调、洗衣机、变频控制板

即刻扫码，获取方案规格书和主控IC套片信息