高速電機——沒有你想象的那么簡單

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。既然這么難，這玩意有沒有用呢？

那么高速電機應(yīng)用前景如何呢？它可以用在哪里呢？

(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，而隨著科學技術(shù)的發(fā)展，特殊要求越來越多，它的應(yīng)用也會越來越 。

(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 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。

上圖為工業(yè)機器人高光機，永磁無刷直流電機 350W, 60krpm

高速電機的顧名思義速度很高，轉(zhuǎn)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 怕的就是“被甩出去”。同樣，電機在如此高的速度旋轉(zhuǎn)時，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子是難以承受巨大的離心力的，需要采用特殊的 度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)設(shè)計難點）。

對于永磁電機來說， 轉(zhuǎn)子強度問題更為突出， 因為燒結(jié)而成的永磁材料不能承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉應(yīng)力， 必須對永磁體采取保護措施; 同時電機轉(zhuǎn)子與氣隙高速摩擦， 在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子散熱的難題。

為了保證轉(zhuǎn)子有足夠的強度， 高速電機轉(zhuǎn)子設(shè)計的樣子多為細長型。 因此與常速電機相比， 高速電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)接近臨界轉(zhuǎn)速的可能性 增加， 為了避免發(fā)生彎曲共振， 必須準確預(yù)測轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)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(tǒng)。

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(zhuǎn)子中產(chǎn)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(yīng)和鄰近效應(yīng)對繞組損耗的影響， 但在高頻情況下定子繞組會產(chǎn)生明顯的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)， 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(yīng)的影響不能忽略， 常規(guī)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(chǎn)生的電流時間諧波均會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生較大的渦流損耗， 由于轉(zhuǎn)子體積小、散熱條件差， 會給轉(zhuǎn)子散熱帶來極大困難， 因此轉(zhuǎn)子渦流損耗的準確計算以及探索有效降低轉(zhuǎn)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(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。

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(zhuǎn)子溫升過高的情況下， 永磁體易發(fā)生不可逆退磁 。設(shè)計一個良好的冷卻系統(tǒng)， 能有效降低定轉(zhuǎn)子溫升， 是大功率高速電機長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

綜上所述， 高速電機在轉(zhuǎn)子強度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學、電磁設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)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(guī)電機所不具有的特殊關(guān)鍵問題， 因此高速電機的設(shè)計是一個集電磁場-轉(zhuǎn)子強度-轉(zhuǎn)子動力學-流體場與溫度場等多物理場多次迭代的綜合設(shè)計過程。

國內(nèi)外 功率的高速感應(yīng)電機為15MW， 轉(zhuǎn)速為20000 r/min， 是ABB公司 在2002年研制的， 采用的是實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu); 高速感應(yīng)電機 速度為180000 r/min， 功率為10kW， 采用磁懸浮軸承， 實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)， 線速度為219m /s， 電機的效率約為85% 。

國內(nèi)對高速感應(yīng)電機的研究相對滯后（貌似電機這塊，國內(nèi)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(yīng)電機， 海 程大學 、沈陽工業(yè)大學 、哈爾濱工業(yè)大學以及浙江大學（沈建新老師團隊）等針對高速感應(yīng)電機開展了許多研究工作，海 程大學對 2. 5 MW 高速感應(yīng)電機開展了研究，重慶德馬電機研制了100kW、25000r/min 高速感應(yīng)電機， 國內(nèi)高速感應(yīng)電機的發(fā)展水平遠低于國外。

內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機的 功率已達8MW，轉(zhuǎn)速15000r /min， 為面貼式永磁轉(zhuǎn)子， 采用碳纖維保護套捆扎;  高轉(zhuǎn)速的永磁電機為500000r/min，功率為1kW， 轉(zhuǎn)子表面線速度為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、沈陽工業(yè)大學、哈爾濱理工大學、哈爾濱工業(yè)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(yè)大學等， 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。

沈陽工業(yè)大學與江蘇某公司合作， 已研制了 1120 kW、18000r/min 的高速永磁電機，如上圖所示， 該電機采用面貼式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)， 轉(zhuǎn)子表面線速度為180m /s， 采用碳纖維保護措施。

高速開關(guān)磁阻電機目前可達的 難度值為3. 51 ×，  功率為250 kW( 轉(zhuǎn)速 22 000 r /min) ， 高轉(zhuǎn)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(yè)大學 、華中科技大學等對高速開關(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研制了1 kW，130000 r /min的開關(guān)磁阻電機。

對三種主要類型的高速電機優(yōu)缺點總結(jié)一下，

經(jīng)過不斷的的發(fā)展， 國外對高速電機的研究已具備了相當?shù)幕A(chǔ)， 產(chǎn)業(yè)化勢頭良好。國內(nèi)對高速電機的研究基礎(chǔ)還較薄弱， 產(chǎn)業(yè)化水平較低， 國內(nèi)對高速電機的研制多集中在中小功率和較低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)， 與國外尚有較大差距。

綜合國內(nèi)外的發(fā)展和研究現(xiàn)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(yīng)用還較少， 在高速電機的設(shè) 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(shè)計是一個多物理場和多學科交叉的綜合設(shè)計過程， 基于電磁場、應(yīng)力場、轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)速， 充油軸承系統(tǒng)龐大且在高速旋轉(zhuǎn)時易發(fā)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(fù)雜、價格昂貴。

3) 大功率高速電機功率變換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與控制策略、實時監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)還很薄弱; 大功率高速電機的轉(zhuǎn)子動力學設(shè)計技術(shù)有待完善; 高速電機的加工工藝復(fù)雜， 距離產(chǎn)業(yè)化的要求還很遠。

4) 定轉(zhuǎn)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(jié)合的冷卻方式， 冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)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(fā)展， 研發(fā)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(fā)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(dǎo)熱系數(shù)較差， 給高速永磁電機的轉(zhuǎn)子散熱帶來了較大困難， 因此開發(fā)高導(dǎo)熱特性的纖維材料對于高速轉(zhuǎn)子的設(shè)計有重要價值。

7) 常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子不能承受較大的離心力， 實心轉(zhuǎn)子存在較大的渦流損耗， 需要對新型 度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)進行深入研究。