永磁同步電機功率密度的限制是什麼?

01-04

理論上高速永磁同步電機的轉速越大，功率密度就越大。那麼不就意味著我在設計一個系統時可以採用許多並行的高速電機，最優方案是把電機設計的無限小，轉速儘可能高，但這樣顯然不科學，因為電機功率密度總有最大值吧。我想請問是什麼限制了功率密度的最大值，是軸承的自身的最大載荷，還是油冷等電機的定子轉子外其餘部分體積呢?

電機功率密度的限制歸根結底是散熱能不能解決掉損耗。而散熱不論電機內部結構如何，最後的總熱量一定是從機殼走的，實際上可以說同樣的尺寸下同樣的散熱方式下，一個電機散熱性能的上限基本是固定的。

既然開源困難，就只能節流了，讓每一份損耗帶來的輸出最大化。提高一個電機的功率有兩個辦法，第一是提高轉矩，第二是提高轉速。對於一個設計好的電機提高轉矩顯然只能靠加大電流，轉矩和電流成正比，而損耗卻和電流的平方成正比，顯然提高轉矩是個賠本買賣。所以只剩提高轉速一條路，還別說，

在一定程度上電機高速化還真可以有效提高功率和效率。

當然這個提速也是有限制的，大概有3點。

1機械強度限制:包括不限於軸承和轉子結構能承受的最大轉速，軸承燒了，轉子磕到定子上了，轉子散架了等等顯然是不能被接受的

2損耗:風阻和鐵損。雖然這倆在低速下很小，完全被繞組電流的銅耗所掩蓋，但是別忘了它們和速度的平方正相關，速度上升以後增加很快，顯然等到他倆在損耗中開始當家作主的時候，繼續提速顯然也不划算了

3電源和驅動能提供的VA值:前邊那些說的都是限制，機械限制就好像是汽車的輪胎和底盤，損耗限制就好比是高速公路限速，而驅動器則是你的發動機。你的車底盤和輪胎都很好開200也安全，你覺得開到限速120不是事兒，結果一腳油下去發現裝了個拖拉機的發動機你連80都開不到就先別想超速罰單的事兒了。。。理想下如果你的驅動強無敵，恆轉矩區能直接懟到機械強度允許的最大轉速附近，這功率一定很好看。可惜現實中幾乎不存在這種情況，都是草草結束了恆轉矩區，然後更高轉速只能靠減小轉矩在恆功率區里續命。

謝腰，你這個問題問得有些籠統，限制功率密度的因素很多，高速電機最大的限制是效率，速度越高鐵耗越大，效率越低，於是再高的轉速也上不去，所以低效率的電機意義不是很大。你也可以說，最大的限制是最大轉速。

我先diss一下，電機在基速以下輸出功率是與轉速成正比的。所以我們如果就考核基速點的功率的話就不存在基速點高電機功率密度就高的結論了，因為基速點提高，在不改變你的其他條件前提下，轉矩必然下降，而基速點處功率未必提高。

這個問題在一個月前我還想了很多答案，就在剛剛我覺得不那麼複雜了。我以下回答是基於電機基速點處的功率來回答的。在基速確定的情況下，來提高電機運行轉速對提高功率密度沒有任何意義。

功率等於電壓與電流的乘積，提高功率要麼提高電壓，要麼提高電流。

一般電機的電源是確定的，那麼電壓就運行在極限電壓圓圖內，Umax=Uline；

那提高功率就只能提高電流了，在同樣的銅截面積下，電流到底能通多大，我們在電機設計時額定點也就6A/mm^2。不同冷卻方式下電密不同，假設在相同冷卻條件下，那我們只能寄希望於導線面積變大了，但是在電機里磁場走磁路，電場走電路，你電機做小的結果就是電路磁路都得被壓縮，所以不能做小。

我的分析里根本就沒有針對高速電機的事，適用所有電機。

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使用好的材料才是提高功率密度的路徑

絕緣和散熱

永磁電機轉速越大，功率密度就越大，這個觀點個人認為不對。

要提高永磁電機功率密度，可以從下列方式入手：

1.採用較好的冷卻方式，用水冷比用空冷可以大幅降低電機的體積和重量。水的導熱係數大，冷卻效果顯著，機座重量可以減輕，甚至可以取消風扇。熱負荷可以做到比較高，定轉子鐵芯外徑可以比空冷電機小。

2.採用高性能永磁體材料，縮小定轉子外徑，縮短鐵芯長。

3.採用新型電磁拓撲結構，例如軸向磁場的盤式永磁電機，halbak環形永磁電機等。

高速電機的轉速也不是無限提高的，軸承是限制轉速的因素之一，高速運行的轉子非常考驗軸承的可靠性; 另外速度越大電機的鐵損、風阻等損耗也越大，降低了輸出力，也限制了轉速的提升。

實際工程中常用是加電壓，換更好銣鐵硼供應商，逆變器MTPA

機械方面是軸承極限轉速和沖片機械強度。

電磁方面是反電動勢限值和電機鐵耗，尤其轉子渦流損耗導致的高溫引起的退磁。

我知道的工廠裡面最高做到2w轉。