一.高速電機簡介

高速電機的主要特點是轉子速度高、定子繞組電流和鐵心中的磁通頻率高、功率密度和損耗密度大 。這些特點決定了高速電機具有不同于常速電機特有的關鍵技術與設計方法，設計和制造難度往往成倍大于普通速電機。既然這么難，這玩意有沒有用呢。

那么高速電機應用前景如何呢？它可以用在哪里呢？

(1) 高速電機在空調或冰箱的離心式壓縮機等各種場合得到應用，而隨著科學技術的發展，特殊要求越來越多，它的應用也會越來越廣泛。

(2) 隨著汽車工業混合動力汽車的發展，體積小，重量輕的高速發電機將會得到充分的重視，并在混合動力汽車，航空，船舶等領域具有良好的應用前景。

(3)由燃氣輪機驅動的高速發電機體積小，具有較高的機動性，可用于一些重要設施的備用電源，也可作為獨立電源或小型電站，彌補集中式供電的不足，具有重要的實用價值。

二.高速電機難在哪？

高速電機的顧名思義速度很高，轉子速度通常高于?10000 r /min， 摩天輪大家都玩過，大家玩之前可能最怕的就是“被甩出去”。同樣，電機在如此高的速度旋轉時，常規疊片轉子是難以承受巨大的離心力的，需要采用特殊的高強度疊片或實心轉子結構（結構設計難點）。

對于永磁電機來說， 轉子強度問題更為突出， 因為燒結而成的永磁材料不能承受轉子高速旋轉產生的拉應力， 必須對永磁體采取保護措施; 同時電機轉子與氣隙高速摩擦， 在轉子表面造成的摩擦損耗會遠大于常速電機，這個時候就不得不考慮轉子散熱的難題。

為了保證轉子有足夠的強度，?高速電機轉子設計的樣子多為細長型。因此與常速電機相比， 高速電機轉子系統接近臨界轉速的可能性大大增加， 為了避免發生彎曲共振， 必須準確預測轉子系統的臨界轉速; 普通電機軸承無法在高速下可靠運行，必須采用高速軸承系統。

前面說到高速電機繞組電流和鐵心中磁通交變頻率很高，會在電機繞組、定子鐵心以及轉子中產生較大的高頻附加損耗。當定子電流頻率較低時， 通常可以忽略趨膚效應和鄰近效應對繞組損耗的影響， 但在高頻情況下定子繞組會產生明顯的趨膚效應和鄰近效應， 增大繞組附加損耗; 高速電機定子鐵心中磁通頻率高，趨膚效應的影響不能忽略， 常規的計算方法會帶來較大誤差， 為了準確計算高速電機的定子鐵心損耗， 需要探索（有點摸著石頭過河的感覺）高頻工況下的鐵耗計算模型。

定子開槽與繞組非正弦分布引起的空間諧波以及由PWM供電產生的電流時間諧波均會在轉子中產生較大的渦流損耗， 由于轉子體積小、散熱條件差， 會給轉子散熱帶來極大困難， 因此轉子渦流損耗的準確計算以及探索有效降低轉子渦流損耗的措施， 對高速電機可靠運行具有重要意義; 同時高頻電壓或電流也給大功率高速電機的控制器設計帶來了挑戰。

高速電機的體積遠小于同等功率的常速電機， 不僅功率密度和損耗密度大而且散熱困難， 如果不采用特殊散熱措施， 會使電機溫升過高， 從而縮短繞組壽命， 特別對于永磁電機， 在轉子溫升過高的情況下，?永磁體易發生不可逆退磁?。設計一個良好的冷卻系統， 能有效降低定轉子溫升， 是大功率高速電機長期穩定運行的關鍵。

綜上所述， 高速電機在轉子強度、轉子系統動力學、電磁設計、冷卻系統設計與溫升計算、高速軸承以及控制器的研制等方面存在許多常規電機所不具有的特殊關鍵問題， 因此高速電機的設計是一個集電磁場-轉子強度-轉子動力學-流體場與溫度場等多物理場多次迭代的綜合設計過程。

三.高速電機有哪幾種？

目前應用于高速領域的電機類型主要有感應電機、永磁電機、開關磁阻電機等， 每種電機類型又有不同的拓撲結構。

1. 高速感應電機

我們知道，感應電機轉子結構簡單、轉動慣量低， 并能在高溫和高速的條件下長時間運行， 因此感應電機在高速領域應用比較廣泛 。

國內外最大功率的高速感應電機為15MW， 轉速為20000 r/min， 是ABB公司?在2002年研制的， 采用的是實心轉子結構; 高速感應電機最大速度為180000 r/min， 功率為10kW， 采用磁懸浮軸承， 實心轉子結構， 線速度為219m /s， 電機的效率約為85% 。

國內對高速感應電機的研究相對滯后（貌似電機這塊，國內沒有幾個不滯后的）， 其中重慶德馬電機研制了一系列高速感應電機， 海軍工程大學 、沈陽工業大學 、哈爾濱工業大學以及浙江大學（沈建新老師團隊）等針對高速感應電機開展了許多研究工作，海軍工程大學對 2. 5 MW 高速感應電機開展了研究，重慶德馬電機研制了100kW、25000r/min 高速感應電機， 國內高速感應電機的發展水平遠低于國外。

2 .內轉子高速永磁電機

我們也知道，永磁電機具有效率和功率因數高及轉速范圍大等優點， 因此其在高速應用領域倍受青睞。相對于外永磁轉子電機， 內轉子永磁電機具有轉子半徑小及可靠性強的優點， 成為高速電機的首選。

內轉子高速永磁電機的最大功率已達8MW，轉速15000r /min， 為面貼式永磁轉子， 采用碳纖維保護套捆扎; 最高轉速的永磁電機為500000r/min，功率為1kW， 轉子表面線速度為261m /s，采用合金保護套。國內對高速永磁電機的研究主要集中在浙江大學、沈陽工業大學、哈爾濱理工大學、哈爾濱工業大學、西安交通大學、南京航空航天電機、東 南 大學、北京航空航天大學、江蘇大學、北京交通大學、廣東工業大學、南車株洲電機有限公司等， 他們對高速電機的設計特點、損耗特性、轉子強度與剛度計算以及冷卻系統設計與溫升計算等方面開展了相關的研究工作， 并制作了不同功率等級和轉速的高速樣機。（國內高校一般都是開展了先關研究，說白了就是搞了幾個相關的項目，畢業了 幾個研究生，發（水）了幾篇文章）

沈陽工業大學與江蘇航天動力機電有限公司合作， 已研制了 1120 kW、18000r/min 的高速永磁電機，如圖所示， 該電機采用面貼式永磁轉子結構， 轉子表面線速度為180m /s， 采用碳纖維保護措施。

浙江大學對2.3 kW、150000 r /min的高速永磁無刷直流電機開展了深入研究（深入一般是有幾個博士在做），并制作了樣機; 廣東工業大學對0.6 kW，200 000 r /min 的高速永磁無刷直流電機進行了理論分析。但國內對高速永磁電機的研制多集中在500kW 以下的中小功率和中低轉速階段， 對大功率尤其是兆瓦級和超高轉速永磁電機的研究還較少。高速永磁電機有面貼式( SPM) 和內置式( IPM) 兩種轉子結構。除少數采用內置式轉子結構外，其余多采用面貼式永磁轉子結構。

3?高速開關磁阻電機

開關磁阻電機以結構簡單、堅固耐用、成本低廉以及耐高溫等優點而備受矚目， 在高速領域的應用日益廣泛。

高速開關磁阻電機目前可達的最大難度值為3. 51 ×?105， 最大功率為250 kW( 轉速 22 000 r /min) ，最高轉速為 200 000 r /min( 功率 1 kW) 。南京航空航天大學 、北京交通大學、湖南工業大學 、華中科技大學等對高速開關磁阻電機開展了相關研究工作， 其中南京航空航天大學研制了1 kW，130000 r /min的開關磁阻電機。

最后對三種主要類型的高速電機優缺點總結一下，

經過不斷的的發展， 國外對高速電機的研究已具備了相當的基礎， 產業化勢頭良好。國內對高速電機的研究基礎還較薄弱，?產業化水平較低， 國內對高速電機的研制多集中在中小功率和較低轉速的范圍內，?與國外尚有較大差距。

綜合國內外的發展和研究現狀， 針對兆瓦級以上的大功率高速電機和超高速高速電機的研究與應用還較少， 在高速電機的設 計與分析方面仍有一些問題亟需解決。

主要包括:

1) 高速電機的設計是一個多物理場和多學科交叉的綜合設計過程， 基于電磁場、應力場、轉子動力學、流體場與溫度場等多物理場耦合方法來分析高速電機的技術尚不成熟。

2)?高速軸承仍有很多問題亟需解決: 滾球軸承不能承受過高的轉速， 充油軸承系統龐大且在高速旋轉時易發生漏油問題， 空氣軸承承載負載能力有限， 磁懸浮軸承控制復雜、價格昂貴。

3) 大功率高速電機功率變換系統、控制系統與控制策略、實時監測系統的研發還很薄弱; 大功率高速電機的轉子動力學設計技術有待完善; 高速電機的加工工藝復雜， 距離產業化的要求還很遠。

4) 定轉子損耗的理論分析、計算方法以及實驗驗證等方面有待進一步研究; 大功率高速永磁電機多采用風冷和水冷相結合的冷卻方式， 冷卻結構復雜， 冷卻效果有限。

5) 永磁體抗拉強度低、耐溫能力差制約著高速永磁電機向超高速和大功率方向發展， 研發更高抗拉強度和更高耐溫水平的永磁材料對高速電機的發展具有重要意義。

6) 對于面貼式永磁電機， 合金保護套存在較大的渦流損耗， 碳纖維保護套的導熱系數較差， 給高速永磁電機的轉子散熱帶來了較大困難， 因此開發高導熱特性的纖維材料對于高速轉子的設計有重要價值。

7) 常規疊片轉子不能承受較大的離心力， 實心轉子存在較大的渦流損耗， 需要對新型高強度轉子疊片材料和結構進行深入研究。

綜上所述， 高速電機以后的發展和研究方向主要在:

1、大功率高速電機和超高速高速電機的關鍵問題研究;

2、基于多物理場和多學科的耦合設計;

3、定轉子損耗的理論研究與實驗驗證;

4、高強度與高耐溫能力的永磁材料、高導熱系數的纖維材料等新材料的開發及應用;

5、高強度轉子疊片材料和結構的研究;

6、不同功率和轉速等級下高速軸承的應用;

7、良好散熱系統的設計; 高速電機控制系統的研制;

8、滿足產業化要求的轉子加工及裝配新工藝等。

編輯：黃飛