一、高速電機簡介

高速電機通常指轉(zhuǎn)速超過 10000 r /min的電機。高速電機體積小、可與高速負載直接相連、省去傳統(tǒng)的機械增速裝置、減小系統(tǒng)噪音和提高系統(tǒng)傳動效率。目前成功實現(xiàn)高速化的主要有感應(yīng)電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機。

高速電機的主要特點是轉(zhuǎn)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(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計方法，設(shè)計和制造難度往往成倍大于普通速電機。

高速電機的應(yīng)用領(lǐng)域：

(1) 高速電機在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機等各種場合得到應(yīng)用。

(2) 隨著汽車工業(yè)混合動力汽車的發(fā)展，體積小，重量輕的高速發(fā)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(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

(3)由燃氣輪機驅(qū)動的高速發(fā)電機體積小，具有較高的機動性，可用于一些重要設(shè)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。

高速電機的關(guān)鍵技術(shù)

高速、超高速的應(yīng)用前景廣闊但同時給電機帶來了極高的挑戰(zhàn)，我們將這些問題合并同類項后發(fā)現(xiàn)有六大類。分別是散熱、選型、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、振動噪音、高效設(shè)計、軸承。

二、高速電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1、高速感應(yīng)電機

感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量低，并且能夠在高溫和高速的條件下長時間運行，因此感應(yīng)電機在高速領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。

目前，國內(nèi)外高速感應(yīng)電機中，功率較大的為15MW，其轉(zhuǎn)速為20000 r/min，為ABB公司2002年研制，采用實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。高速感應(yīng)電機速度較大的是由Westwind Air Bearings研制的，轉(zhuǎn)速為300000 r/min，其功率為200 W，用于PCB鉆床主軸。同樣，國外還實現(xiàn)了功率為10kW，180000r/min轉(zhuǎn)速的高速感應(yīng)電機用作測試電機。

下圖為Westwind Air Bearings研制的高速感應(yīng)電機，功率200W，轉(zhuǎn)速300000 r/min。

國內(nèi)的研究相對落后，其中雷勃電氣、沈陽工業(yè)大學(xué)、海**程大學(xué)、浙江大學(xué)等研究單位對高速感應(yīng)電機開展了許多研究工作。

雷勃高速電機針對不同應(yīng)用工況提供定制化高速電機乃至超高速電機，產(chǎn)品范圍：較大功率3000kW，較大轉(zhuǎn)速120,000RPM。雷勃高速電機廣泛適用于蒸氣壓縮機、高速鼓風(fēng)機和真空泵、曝氣風(fēng)機、高速測試臺、高速雙級壓縮機、制氧空分等領(lǐng)域，替代進口電機。

雷勃高速電機研制了300kW  25000r/min、10kW  120000r/min高速感應(yīng)電機。沈陽工業(yè)大學(xué)對功率為280kW、轉(zhuǎn)速為12000r/min，線速度為132m/s，采用普通疊片結(jié)構(gòu)的高速感應(yīng)電機進行了相關(guān)研究。海**程大學(xué)對 2.5 MW的高速感應(yīng)電機開展了相關(guān)研究等等。

表1 國內(nèi)外高速感應(yīng)電機的研究

2、高速永磁電機

永磁電機由于其效率和功率因數(shù)高及轉(zhuǎn)速范圍大等優(yōu)點，在高速應(yīng)用領(lǐng)域備受青睞。相對于外轉(zhuǎn)子永磁電機，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機具有轉(zhuǎn)子半徑小及可靠性強的優(yōu)點，成為高速電機首選。

目前，國內(nèi)外高速永磁電機中，功率較大的高速永磁電機，是美國研究的，功率為8MW，轉(zhuǎn)速15000r/min，為面貼式永磁轉(zhuǎn)子，保護套采用的是碳纖維，冷卻系統(tǒng)采用風(fēng)冷水冷結(jié)合的方式，用于與燃氣輪機匹配的高速電機。

瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院設(shè)計了較高轉(zhuǎn)速的高速永磁電機。參數(shù)為500000 r/min，功率為1kW，線速度為261m/s，采用合金保護套。

國內(nèi)對高速永磁電機的研究主要集中在浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天電機、東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、江蘇大學(xué)、北京交通大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等。

他們對高速電機的設(shè)計特點、損耗特性、轉(zhuǎn)子強度與剛度計算以及冷卻系統(tǒng)設(shè)計與溫升計算等方面開展了相關(guān)的研究工作， 并制作了不同功率等級和轉(zhuǎn)速的高速樣機。

浙江大學(xué)對2.3 kW、150000 r /min的高速永磁無刷直流電機的保護措施、渦流損耗開展了深入研究；東南大學(xué)對功率600 W，轉(zhuǎn)速20000r/min的高速永磁電機進行了研究；廣東工業(yè)大學(xué)對0.6 kW，200000 r /min的高速永磁無刷直流電機進行了理論分析等等。

但國內(nèi)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(zhuǎn)速階段，對大功率尤其是兆瓦級和超高轉(zhuǎn)速永磁電機的研究還較少。高速永磁電機有面貼式(SPM)和內(nèi)置式(IPM)兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。除少數(shù)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外，其余多采用面貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

表2 國內(nèi)外高速永磁電機的研究

3、開關(guān)磁阻電機

開關(guān)磁阻電機以結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉以及耐高溫等優(yōu)點而備受矚目， 在高速領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。

高速開關(guān)磁阻電機目前可達的最大功率為250kW，轉(zhuǎn)速22000r /min,較高轉(zhuǎn)速為200000r /min，功率1kW。

南京航空航天大學(xué)、北京交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等對高速開關(guān)磁阻電機開展了相關(guān)研究工作，其中南京航空航天大學(xué)研制了1 kW，130000 r /min的開關(guān)磁阻電機。

表3 三種高速電機的對比

三、高速電機保護套設(shè)計和轉(zhuǎn)子強度分析

電機高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子離心力很大，轉(zhuǎn)子強度分析和保護套設(shè)計是高速電機設(shè)計的關(guān)鍵。目前對高速永磁電機開展的轉(zhuǎn)子強度分析主要是針對轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析校核永磁體所承受應(yīng)力是否超過許用應(yīng)力，保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運行。由于大多數(shù)高速永磁電機選用釹鐵硼永磁材料，該材料抗壓強度較大，而抗拉強度很小，因此對于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)的永磁體，必須采取保護措施。

目前較常用的保護措施主要有兩種：一種是采用碳纖維綁扎永磁體，另外一種是在永磁體外面加高強度非導(dǎo)磁合金保護套。但合金護套的電導(dǎo)率較大，空間和時間諧波會在合金護套中產(chǎn)生較大的渦流損耗，碳纖維護套的電導(dǎo)率遠遠小于合金護套，可以有效的抑制護套中的渦流損耗，但碳纖維護套的熱導(dǎo)線很差，轉(zhuǎn)子熱量難以散出，且碳纖維護套的加工工藝復(fù)雜，對加工精度要求較高。但是對于高速外轉(zhuǎn)子永磁電機，不需要采取保護措施，因此轉(zhuǎn)子應(yīng)力分析的研究較少。

英國布里斯托大學(xué)Jason M. Yon 提出了一種半導(dǎo)磁的合金保護套，合金套的相對磁導(dǎo)率為 7.2，并對不導(dǎo)磁和半導(dǎo)磁合金保護套的電磁特性進行了分析。

沈陽工業(yè)大學(xué)王鳳翔教授對一臺60000 r/min的高速永磁電機設(shè)計了合金保護套，并對旋轉(zhuǎn)、靜止等不同工況下的轉(zhuǎn)子機械強度進行理論分析和二維有限元計算。

浙江大學(xué)有提出一種周向和軸向開槽的合金保護套，并對其進入了深入的研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)可以在滿足轉(zhuǎn)子強度的要求下，有效減小合金保護套中的渦流損耗。

高速電機的鐵耗和銅耗的計算方法與一般電機有著較大的區(qū)別。對于普通電機，磁場的諧波頻率比較低，轉(zhuǎn)子渦流損耗一般可以忽略，而對于高速永磁電機，轉(zhuǎn)子渦流損耗較大，會給電機散熱帶來嚴(yán)重的困難，而永磁體在過高的溫度下會發(fā)生不可逆退磁。因此對高速電機進行合理電磁設(shè)計與損耗的準(zhǔn)確計算成為高速電機的關(guān)鍵問題之一。

在高速電機中，由于工作頻率較高，定子鐵心損耗成為電機的主要損耗，對電機的效率和發(fā)熱性能起到主導(dǎo)性作用，計算定子鐵耗，目前比較經(jīng)典的計算方法是建立 Bertotti 鐵耗分立計算模型，也就是將鐵耗分為三部分，分別為磁滯損耗、經(jīng)典渦流損耗和異常渦流損耗。

東南大學(xué)胡虔生教授等采用兩個相互正交的交變磁化來近似等效旋轉(zhuǎn)磁化，使得這種方法既考慮了諧波磁場又考慮了旋轉(zhuǎn)磁場，而且損耗系數(shù)可以直接從硅鋼片廠家提供的交變磁化方式下的損耗曲線擬合獲得，因而實現(xiàn)起來比較簡單且具有較高的精度。

由于高速電機的鐵耗與磁通密度分量的幅值有關(guān)，為了準(zhǔn)確計算損耗，還需分析電機內(nèi)的電磁場。芬蘭赫爾辛基大學(xué)和瑞典斯德哥爾摩皇家技術(shù)學(xué)院都對高速電機內(nèi)的電磁場做了比較詳盡的分析。

轉(zhuǎn)子的損耗主要包括轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗兩部分，轉(zhuǎn)子渦流損耗主要是由定子電流的時間和空間諧波以及定子槽開口引起的氣隙磁導(dǎo)變化所產(chǎn)生的。

由于高速電機的旋轉(zhuǎn)速度高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)子表面的空氣摩擦摩耗要比普通電機大得多，在電機總損耗中占有較大比重，因此對空氣摩擦損耗的研究具有實際意義。目前國內(nèi)關(guān)于空氣摩擦損耗的研究還鮮有報道，尤其是基于流體場計算高速電機轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗。沈陽工業(yè)大學(xué)通過對60000 r/min 高速永磁電機的研究，對基于流體場空氣摩擦損耗計算方法進行初步分析和實驗驗證。

高速電機主要的研究發(fā)展方向有：

大功率高速電機和超高速高速電機的關(guān)鍵問題研究; 基于多物理場和多學(xué)科的耦合設(shè)計; 定轉(zhuǎn)子損耗的理論研究與實驗驗證; 高強度與高耐溫能力的永磁材料、高導(dǎo)熱系數(shù)的纖維材料等新材料的開發(fā)及應(yīng)用; 高強度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)的研究; 不同功率和轉(zhuǎn)速等級下高速軸承的應(yīng)用; 良好散熱系統(tǒng)的設(shè)計; 高速電機控制系統(tǒng)的研制; 滿足產(chǎn)業(yè)化要求的轉(zhuǎn)子加工及裝配新工藝等。

來源于電機技術(shù)及應(yīng)用