高速电机应用及控制

关于高速电机的一些总结。一、应用领域
1、车用
  高速电机在汽车中可能的应用包括：


  电动涡轮增压   启动或换挡时废气能量低，可以通过电机工作在电动模式提高压缩机速度，增加供气压力，提高驾驶性能；当发动机高负载时，可以作为发电机，把废气中多余的能量回收。如图1中M1电机。




废能发电  如图1中M2，通过增加涡轮和高速电机进一步回收能量，用于车辆使用，进一步提高能量利用效率

EGR泵   由于增压发动机中排气压大于进气压，废气再循环需要把部分废气引入到进气端，从而减少NO排放。这就要求压缩机泵送其他。见图1中M3。

2、飞轮储能

    飞轮储能系统通过高速电机带动飞轮旋转，把电能能量存储在旋转的飞轮中，完成电能到机械能转换。回收能量时，通过电机发电，飞轮减速，把机械能转换为电能。飞轮储能功率密度和能量密度较低。通过提高电机转速，飞轮储能功率密度可以超过镍氢电池，但能量密度依然较低，可以用于短时高峰值功率输出。可以用于混合动力汽车。飞轮储能寿命长。温度范围宽，效率高。下图中Williams Hybrid Power用于Porsche911 GT3R. 飞轮转速40000 r/min ，可以电动或者发电120kW



如下是几家方案对比



3、高速主轴

    机床工业对更高速度、更高功率密度、更低振动水平的要求，导致对电机需求越来越高。主轴对转速的需求从9000~180000rpm不等，功率从24~1kW。机床转速取决于需要加工材料的类型。



在超精密加工中，转速可以达到数十万转每分钟。，如下图是一台300000rpm的超高速电机。



4、涡轮分子泵

    涡轮分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。

涡轮分子泵的优点是启动快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真空。涡轮分子泵广泛用于高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器以及真空镀膜等需要获得高真空度制造工艺中。

         


当前几百瓦的涡轮分子泵电机转速可达100000rpm。这些泵用于获取高真空条件，转子在深真空中运行，散热只能通过辐射完成。这种应用要求电机转子惯量要取消，转矩脉动低。



5、气体压缩机应用

    在化工、石油与天然气行业，许多地方需要用到气体压缩，用于收集、传输与加工下游气体。在燃气轮机与燃气发动机中，用于驱动。传统压缩机采样变速箱连接。带磁轴承的高速电机应用，可以消除齿轮箱与整个润滑系统，从而提高安全性、效率与可靠性，并降低操作与维护成本。如下是Converteam(现GE Energy)开发的10MW 20000rpm感应电机布局与转子。



6、工业空气压缩机与鼓风机

在许多工业应用中，对高质量无油压缩空气的需求不断增加，如在食品、药品与制药行业，任何不安全生产都可能导致产品安全问题，造成对消费者健康的伤害。在汽车行业中，无油空气对高质量表面处理至关重要。在电子工业中，湿气会影响敏感工艺，导致氧化，引起产品失效。在上述行业中，任何石油污染都可能导致昂贵的产品召回和工厂停工。在100~500kW，80~15000rpm功率与转速水平下，使用磁或者空气轴承的高速电机正成为最新一代无油直接驱动工业压缩机。范围4~9bar。

另外在燃料电池中，需要给电堆提供压缩空气。目前国内主要使用高



速离心式压缩机。之前有一篇文章总结

燃料电池用离心式空压机



在污水处理行业，超过60%的电力用于输送空气，为废水处理和混合成固态提供氧气。与传统鼓风机相比，高速电机驱动的鼓风机更可靠，更耐用，降低噪声，减少25%的占地面积，节能超35%。

7、微涡轮发电    微涡轮机是一种小型燃气轮机，通常用于固定能源发电。燃料比较灵活，可以支持天然气、伴生气、沼气、液化石油气、丙烷、丁烷以及液体燃料（柴油、煤油和航空燃料）。微涡轮运动部件少，效率高、排放低，可以余热利用。余热回收可用于热电联供系统，能源利用效率超过80%。    下图是燃气轮机典型布局。系统由压缩机、燃烧室、涡轮机、发电机和热交换系统。通过压缩机进入的空气在热交换系统加热后与燃料混合进入燃烧室，在恒压条件下燃烧，产生的高温气体通过涡轮膨胀做功，带动发电机发电。排出的气体温度依然很高，可以通过热交换器回收利用。



找到一个动画，更形象。这个系统设计巧妙的地方是将发电机内置在压气机前端，可以用空气冷却发电机。



video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_3118055484088958980微型燃气轮机由于重量轻，尺寸紧凑，也可以用于串联混动方案，用作汽车的増程器。据说只有相同功率发动机的5%的大小与重量。


    Wrightspeed， 特斯拉早期创始人成立的公司，在将涡轮发电系统用在卡车上。



        燃气轮机转速高达96000转/分钟，与发电机直连。这个30千瓦的燃气轮机发电机组和一瓶1升的可乐差不多大，燃气轮机没有润滑系统，它靠空气轴承运转，只有一个运动部件，不需要润滑或冷却，维护费用低。这台引擎的寿命将近4万小时，总重量只有220磅，大约是四缸柴油引擎重量的10%，寿命至少是其4倍。

二、高速电机统计

根据文献统计的高速电机应用水平。



三、高速电机控制

    高速电机控制主要有几个特点：

     1、电感较小

     2、 转速高

     3、不适合装位置传感器

     4、一般为异步电机、同步电机或者开关磁阻电机







一般控制使用FOC，通过提高开关频率，达到合理的载波比。通过The Internal Model Control (IMC) 策略设置 PID参数。控制中要解决主要两个问题：

1、电流环带宽问题



如上是理想的FOC是建立在精确解耦基础上的。系统包含控制延迟和采样延迟，控制延迟主要为指令电压计算及输出引起的延迟，采样延迟主要为硬件电路中传感器、调理电路以及AD 转换响应时间引起的延迟。延迟对电流环控制模型影响主要体现为两点：

在前向通道与反馈通道分别引入了一个控制延迟交叉耦合环节和采样延迟交叉耦合环节，且两者的耦合程度均随角频率 ωe 的升高而加重。

• 
  由于延迟本质为时间延迟，因此前向通道与反馈通道中分别存在一个时延环节
  
  。
  

考虑控制延迟 Td 与采样延迟 Tc 后，FOC 策略 的坐标变换中，派克变换与派克反变换采用的角度分别与真实角度之间存在不同的角度滞后关系， 具体表现为：电流环输出指令电压 * us 与实际输出电 压 us 之间，存在一个相位差θd=ωe Td ；电流环输入采 样电流 si′ 与实际电流 is 之间，存在一个相位差θc= ωe Tc ，即：①控制延迟表现为实际电压滞后于指令 电压；②采样延迟表现为采样电流滞后于实际电流。考虑延迟后的时间-空间矢量如图 3 所示



解决方案有：

1、双采样双更新，提高带宽；

2、前馈&反馈解耦《Vector control of very-high-speed PM machines》；

3、通过两次采样预测电流《超高速永磁电机驱动系统电流环稳定性分析与改进设计》



4.史密斯预测（Smith Predictor）



《Delay Time Compensation in the Current Control Loop of Servo Drives – Higher Bandwidth at no Trade-off 》

《Design of Fast and Robust Current Controllers for Servo Drives based on Space Vector Modulation》

论文中数据



2、位置估计

四、高速电机控制器设计

    时间太晚，此处省略一万字

High-Speed_Electrical_Machines_Technologies_Trends_and_Developments

图片
https://zhuanlan.zhihu.com/p/58412408

常州海科新能源技术有限公司 (chk-net.com)