來源：前瞻Ev 前瞻情報部

一、高速電機簡介

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

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。

高速電機的應用領域：

(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。

(2) 随着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将會得到充分的重視，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。

下圖為工業機器人高光機，應用的永磁無刷直流電機350W60kr/min。

二、高速電機國内外發展現狀

1、高速感應電機

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

目前，國内外高速感應電機中，功率最大的為15MW，其轉速為20000 r/min，為ABB公司2002年研制，采用實心轉子結構。高速感應電機速度最大的是由Westwind Air Bearings研制的，轉速為300000 r/min，其功率為200 W，用于PCB鑽床主軸。同樣，國外還實現了功率為10kW，180000r/min轉速的高速感應電機用作測試電機。

下圖為Westwind Air Bearings研制的高速感應電機，功率200W，轉速300000 r/min。

國内的研究相對落後，其中沈陽工業大學、重慶德馬電機、海軍工程大學、浙江大學等研究單位對高速感應電機開展了許多研究工作。

重慶德馬電機研制了100kW、25000r/min高速感應電機。沈陽工業大學對功率為280kW、轉速為12000r/min，線速度為132m/s，采用普通疊片結構的高速感應電機進行了相關研究。海軍工程大學對 2.5 MW的高速感應電機開展了相關研究等等。

表1 國内外高速感應電機的研究

2、高速永磁電機

永磁電機由于其效率和功率因數高及轉速範圍大等優點，在高速應用領域備受青睐。相對于外轉子永磁電機，内轉子永磁電機具有轉子半徑小及可靠性強的優點，成為高速電機首選。

目前，國内外高速永磁電機中，功率最大的高速永磁電機，是美國研究的，功率為8MW，轉速15000r/min，為面貼式永磁轉子，保護套采用的是碳纖維，冷卻系統采用風冷水冷結合的方式，用于與燃氣輪機匹配的高速電機。

瑞士的蘇黎世聯邦理工學院設計了最高轉速的高速永磁電機。參數為500000 r/min，功率為1kW，線速度為261m/s，采用合金保護套。

國内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。

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。

此外，浙江大學對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；東南大學對功率600 W，轉速20000r/min的高速永磁電機進行了研究；廣東工業大學對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。

但國内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)和内置式(IPM)兩種轉子結構。除少數采用内置式轉子結構外，其餘多采用面貼式永磁轉子結構。

表2 國内外高速永磁電機的研究

3、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功率為250kW，轉速22000r /min,最高轉速為200000r /min，功率1kW。

南京航空航天大學、北京交通大學、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。

表3 三種高速電機的對比

三、高速電機保護套設計和轉子強度分析

電機高速旋轉時轉子離心力很大，轉子強度分析和保護套設計是高速電機設計的關鍵。目前對高速永磁電機開展的轉子強度分析主要是針對轉子高速旋轉時的穩态應力分析校核永磁體所承受應力是否超過許用應力，保證轉子的穩定運行。由于大多數高速永磁電機選用钕鐵硼永磁材料，該材料抗壓強度較大，而抗拉強度很小，因此對于内轉子電機結構的永磁體，必須采取保護措施。

目前最常用的保護措施主要有兩種：一種是采用碳纖維綁紮永磁體，另外一種是在永磁體外面加高強度非導磁合金保護套。但合金護套的電導率較大，空間和時間諧波會在合金護套中産生較大的渦流損耗，碳纖維護套的電導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線很差，轉子熱量難以散出，且碳纖維護套的加工工藝複雜，對加工精度要求較高。但是對于高速外轉子永磁電機，不需要采取保護措施，因此轉子應力分析的研究較少。

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

沈陽工業大學王鳳翔教授對一台60000 r/min的告訴高速永磁電機設計了合金保護套，并對旋轉、靜止等不同工況下的轉子機械強度進行理論分析和二維有限元計算。

浙江大學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果表明該結構可以在滿足轉子強度的要求下，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着較大的區别。對于普通電機，磁場的諧波頻率比較低，轉子渦流損耗一般可以忽略，而對于高速永磁電機，轉子渦流損耗較大，會給電機散熱帶來嚴重的困難，而永磁體在過高的溫度下會發生不可逆退磁。因此對高速電機進行合理電磁設計與損耗的準确計算成為高速電機的關鍵問題之一。

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，對電機的效率和發熱性能起到主導性作用，計算定子鐵耗，目前比較經典的計算方法是建立 Bertotti 鐵耗分立計算模型，也就是将鐵耗分為三部分，分别為磁滞損耗、經典渦流損耗和異常渦流損耗。

東南大學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磁化，使得這種方法既考慮了諧波磁場又考慮了旋轉磁場，而且損耗系數可以直接從矽鋼片廠家提供的交變磁化方式下的損耗曲線拟合獲得，因而實現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，為了準确計算損耗，還需分析電機内的電磁場。芬蘭赫爾辛基大學和瑞典斯德哥爾摩皇家技術學院都對高速電機内的電磁場做了比較詳盡的分析。

轉子的損耗主要包括轉子空氣摩擦損耗和轉子渦流損耗兩部分，轉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變化所産生的。

由于高速電機的旋轉速度高達每分鐘數萬轉甚至十幾萬轉，其轉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。目前國内關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子空氣摩擦損耗。沈陽工業大學通過對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展方向有：

大功率高速電機和超高速高速電機的關鍵問題研究; 基于多物理場和多學科的耦合設計; 定轉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、高導熱系數的纖維材料等新材料的開發及應用; 高強度轉子疊片材料和結構的研究; 不同功率和轉速等級下高速軸承的應用; 良好散熱系統的設計; 高速電機控制系統的研制; 滿足産業化要求的轉子加工及裝配新工藝等。