高速电机的应用、高速电机特点、设计重点与发展综述

高速电机具有体积小、功率密度大、可与高速负载直接相连、省去传统的机械增速装置、减小系统噪音和提高系统传动效率等特点，在高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、燃料电池、天然气输送高速离心压缩机以及作为飞机或舰载供电设备的分布式发电系统等领域具有广阔的应用前景，目前已成为国际电工领域的研究热点之一。

高速电机的主要特点是转子速度高、定子绕组电流和铁心中磁通频率高、功率密度和损耗密度大。这些特点决定了高速电机具有不同于常速电机特有的关键技术与设计方法。

高速电机的转子速度通常高于10000 r/min，在高速旋转时，常规叠片转子难以承受巨大的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子结构；对于永磁电机来说，转子强度问题更为突出，因为烧结而成的永磁材料不能承受转子高速旋转产生的拉应力，必须对永磁体采取保护措施；转子与气隙高速摩擦，在转子表面造成的摩擦损耗远大于常速电机，给转子散热带来很大困难；为了保证转子有足够的强度，高速电机转子多为细长型，因此与常速电机相比，高速电机转子系统接近临界转速的可能性大大增加，为了避免发生弯曲共振，必须准确预测转子系统的临界转速；普通电机轴承无法在高速下可靠运行，必须采用高速轴承系统。

高速电机绕组电流和铁心中磁通交变频率很高，会在电机绕组、定子铁心以及转子中产生较大的高频附加损耗。定子电流频率较低时，通常可以忽略趋肤效应和邻近效应对绕组损耗的影响，但在高频情况下，定子绕组会产生明显的趋肤效应和邻近效应，增大绕组附加损耗；高速电机定子铁心中磁通频率高，趋肤效应的影响不能忽略，常规的计算方法会带来较大误差，为了准确计算高速电机的定子铁心损耗，需要探索高频工况下的铁耗计算模型；定子开槽与绕组非正弦分布引起的空间谐波以及PWM供电产生的电流时间谐波均会在转子中产生较大的涡流损耗，由于转子体积小、散热条件差，会给转子散热带来极大困难，因此转子涡流损耗的准确计算以及探索有效降低转子涡流损耗的措施，对高速电机可靠运行具有重要意义；同时，高频电压或电流也给大功率高速电机的控制器设计带来了挑战。

高速电机的体积远小于同等功率的常速电机，不仅功率密度和损耗密度大，而且散热困难，如果不采用特殊散热措施，会使电机温升过高，从而缩短绕组寿命，特别对于永磁电机，在转子温升过高的情况下，永磁体易发生不可逆退磁。设计良好的冷却系统，能有效降低定转子温升，是大功率高速电机长期稳定运行的关键。

综上所述，高速电机在转子强度、转子系统动力学、电磁设计、冷却系统设计与温升计算、高速轴承以及控制器的研制等方面存在许多常规电机所不具有的特殊关键问题，因此高速电机的设计是一个集电磁场-转子强度-转子动力学-流体场与温度场等多物理场多次迭代的综合设计过程。目前应用于高速领域的电机类型主要有感应电机、永磁电机、开关磁阻电机以及爪极电机，每种电机类型又有不同的拓扑结构。

本文对国内外不同类型高速电机的发展现状进行了分析，总结了现有不同类型高速电机的极限指标；详细分析了高速电机结构与设计特点，包括定子设计、不同类型转子结构设计、转子系统动力学分析与轴承选取以及冷却系统的设计等，最后分析了高速电机发展所面临的主要问题，展望了高速电机的发展趋势与前景。

1、高速电机的发展现状

高速电机通常指转速超过10 000 r/min或难度值(转速和功率平方根的乘积)超过1×105的电机，现有的各类电机中，成功实现高速化的主要有感应电机、内转子永磁电机、开关磁阻电机以及少数外转子永磁电机和爪极电机等。为了分析各类型高速电机的特点，在文献[17]的基础上，本文对国内外各类型高速电机的发展现状进行了进一步的总结和扩展，并按照难度值进行了排列。

1.1、高速感应电机
感应电机转子结构简单、转动惯量低，并能在高温和高速的条件下长时间运行，因此感应电机在高速领域应用比较广泛。表1给出了国内外高速感应电机的发展现状。国内外最大功率的高速感应电机为15 MW，转速为20 000 r/min，为ABB公司2002年研制，采用实心转子结构；高速感应电机最大速度为180 000 r/min，功率为10 kW，采用磁悬浮轴承，实心转子结构，线速度为219 m/s，电机的效率约为85%。国内对高速感应电机的研究相对滞后，其中重庆德马电机研制了一系列高速感应电机，海军工程大学、沈阳工业大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等针对高速感应电机开展了许多研究工作，海军工程大学对2.5 MW高速感应电机开展了研究，重庆德马电机研制了100 kW、25 000 r/min高速感应电机，国内高速感应电机的发展水平远低于国外。

采用实心转子结构的高速感应电机最大难度值高达24.49×105，转子表面线速度可达367 m/s，而采用常规叠片转子结构的高速感应电机最大难度值仅为3×105，转子表面线速度最高为185 m/s；在难度值大于3×105或转子表面线速度大于185 m/s的高速感应电机多采用实心转子结构或高强度叠片转子结构。文献[24]介绍的一台2 000 kW、15 000 r/min、转子表面线速度为290 m/s的高速感应电机转子采用了AISI4130合金钢铸成的高强度叠片结构，文献[36]介绍的一台5 kW、92 500 r/min、转子表面线速度为240 m/s的高速感应电机转子也采用了高强度合金铸成的叠片转子结构。

1.2、内转子高速永磁电机

永磁电机具有效率和功率因数高及转速范围大等优点，因此其在高速应用领域倍受青睐。相对于外永磁转子电机，内转子永磁电机具有转子半径小及可靠性强的优点，成为高速电机的首选。

内转子高速永磁电机的最大功率已达8MW，转速15000 r/min，为面贴式永磁转子，采用碳纤维保护套捆扎；最高转速的永磁电机为500000 r/min，功率为1kW，转子表面线速度为261m/s，采用合金保护套。除少数采用内置式转子结构外，其余多采用面贴式永磁转子结构。文献[89]对一台11 kW、50 000 r/min的高速永磁电机设计了内置式转子结构，该电机转子表面线速度为233 m/s，转子采用高强度叠片材料。采用常规叠片材料的高速内置式永磁电机，最大难度值为1.13×105，最大转子表面线速度为135 m/s。