高速電機的應用、高速電機特點、設計重點與發展綜述

高速電機具有體積小、功率密度大、可與高速負載直接相連、省去傳統的機械增速裝置、減小系統噪音和提高系統傳動效率等特點，在高速磨床、空氣循環制冷系統、儲能飛輪、燃料電池、天然氣輸送高速離心壓縮機以及作為飛機或艦載供電設備的分布式發電系統等領域具有廣闊的應用前景，目前已成為國際電工領域的研究熱點之一。

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。

高速電機的轉子速度通常高于10000 r/min，在高速旋轉時，常規疊片轉子難以承受巨大的離心力，需要采用特殊的高強度疊片或實心轉子結構；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；轉子與氣隙高速摩擦，在轉子表面造成的摩擦損耗遠大于常速電機，給轉子散熱帶來很大困難；為了保證轉子有足夠的強度，高速電機轉子多為細長型，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。

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。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。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、開關磁阻電機以及爪極電機，每種電機類型又有不同的拓撲結構。

本文對國內外不同類型高速電機的發展現狀進行了分析，總結了現有不同類型高速電機的極限指標；詳細分析了高速電機結構與設計特點，包括定子設計、不同類型轉子結構設計、轉子系統動力學分析與軸承選取以及冷卻系統的設計等，最后分析了高速電機發展所面臨的主要問題，展望了高速電機的發展趨勢與前景。

1、高速電機的發展現狀

高速電機通常指轉速超過10 000 r/min或難度值(轉速和功率平方根的乘積)超過1×105的電機，現有的各類電機中，成功實現高速化的主要有感應電機、內轉子永磁電機、開關磁阻電機以及少數外轉子永磁電機和爪極電機等。為了分析各類型高速電機的特點，在文獻[17]的基礎上，本文對國內外各類型高速電機的發展現狀進行了進一步的總結和擴展，并按照難度值進行了排列。

1.1、高速感應電機
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。表1給出了國內外高速感應電機的發展現狀。國內外最大功率的高速感應電機為15 MW，轉速為20 000 r/min，為ABB公司2002年研制，采用實心轉子結構；高速感應電機最大速度為180 000 r/min，功率為10 kW，采用磁懸浮軸承，實心轉子結構，線速度為219 m/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，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100 kW、25 000 r/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。

采用實心轉子結構的高速感應電機最大難度值高達24.49×105，轉子表面線速度可達367 m/s，而采用常規疊片轉子結構的高速感應電機最大難度值僅為3×105，轉子表面線速度最高為185 m/s；在難度值大于3×105或轉子表面線速度大于185 m/s的高速感應電機多采用實心轉子結構或高強度疊片轉子結構。文獻[24]介紹的一臺2 000 kW、15 000 r/min、轉子表面線速度為290 m/s的高速感應電機轉子采用了AISI4130合金鋼鑄成的高強度疊片結構，文獻[36]介紹的一臺5 kW、92 500 r/min、轉子表面線速度為240 m/s的高速感應電機轉子也采用了高強度合金鑄成的疊片轉子結構。

1.2、內轉子高速永磁電機

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15000 r/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500000 r/min，功率為1kW，轉子表面線速度為261m/s，采用合金保護套。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。文獻[89]對一臺11 kW、50 000 r/min的高速永磁電機設計了內置式轉子結構，該電機轉子表面線速度為233 m/s，轉子采用高強度疊片材料。采用常規疊片材料的高速內置式永磁電機，最大難度值為1.13×105，最大轉子表面線速度為135 m/s。