高速電機(jī)應(yīng)用前景如何？高速領(lǐng)域的電機(jī)類型有哪些？

一.高速電機(jī)簡介

高速電機(jī)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(jī)具有不同于常速電機(jī)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(jī)。既然這么難，這玩意有沒有用呢。

那么高速電機(jī)應(yīng)用前景如何呢？它可以用在哪里呢？

(1) 高速電機(jī)在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機(jī)等各種場合得到應(yīng)用，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特殊要求越來越多，它的應(yīng)用也會越來越廣泛。

(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(jī)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?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的高速發(fā)電機(jī)體積小，具有較高的機(jī)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。

二.高速電機(jī)難在哪？

高速電機(jī)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，大家玩之前可能最怕的就是“被甩出去”。同樣，電機(jī)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，需要采用特殊的高強度疊片或?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(jī)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(hù)措施; 同時電機(jī)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(yuǎn)大于常速電機(jī)，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(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計的樣子多為細(xì)長型。因此與常速電機(jī)相比，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)接近臨界轉(zhuǎn)速的可能性大大增加，為了避免發(fā)生彎曲共振，必須準(zhǔn)確預(yù)測轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速; 普通電機(jī)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(jī)繞組電流和鐵心中磁通交變頻率很高，會在電機(jī)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(dāng)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(jī)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(zhǔn)確計算高速電機(jī)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(zhǔn)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(jī)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(jī)的控制器設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。

高速電機(jī)的體積遠(yuǎn)小于同等功率的常速電機(jī)，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(jī)溫升過高，從而縮短繞組壽命，特別對于永磁電機(jī)，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(jī)長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

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

三.高速電機(jī)有哪幾種？

目前應(yīng)用于高速領(lǐng)域的電機(jī)類型主要有感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等，每種電機(jī)類型又有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1. 高速感應(yīng)電機(jī)

我們知道，感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)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(yīng)電機(jī)在高速領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。

國內(nèi)外最大功率的高速感應(yīng)電機(jī)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(jī)最大速度為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(jī)的效率約為85% 。

國內(nèi)對高速感應(yīng)電機(jī)的研究相對滯后（貌似電機(jī)這塊，國內(nèi)沒有幾個不滯后的），其中重慶德馬電機(jī)研制了一系列高速感應(yīng)電機(jī)，海軍工程大學(xué) 、沈陽工業(yè)大學(xué) 、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及浙江大學(xué)（沈建新老師團(tuán)隊）等針對高速感應(yīng)電機(jī)開展了許多研究工作，海軍工程大學(xué)對 2. 5 MW 高速感應(yīng)電機(jī)開展了研究，重慶德馬電機(jī)研制了100kW、25000r/min 高速感應(yīng)電機(jī)，國內(nèi)高速感應(yīng)電機(jī)的發(fā)展水平遠(yuǎn)低于國外。

2 .內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)

我們也知道，永磁電機(jī)具有效率和功率因數(shù)高及轉(zhuǎn)速范圍大等優(yōu)點，因此其在高速應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞。相對于外永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)子半徑小及可靠性強的優(yōu)點，成為高速電機(jī)的首選。

內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)的最大功率已達(dá)8MW，轉(zhuǎn)速15000r /min，為面貼式永磁轉(zhuǎn)子，采用碳纖維保護(hù)套捆扎; 最高轉(zhuǎn)速的永磁電機(jī)為500000r/min，功率為1kW，轉(zhuǎn)子表面線速度為261m /s，采用合金保護(hù)套。國內(nèi)對高速永磁電機(jī)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(jī)、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)、南車株洲電機(jī)有限公司等，他們對高速電機(jī)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(jī)。（國內(nèi)高校一般都是開展了先關(guān)研究，說白了就是搞了幾個相關(guān)的項目，畢業(yè)了幾個研究生，發(fā)（水）了幾篇文章）

沈陽工業(yè)大學(xué)與江蘇航天動力機(jī)電有限公司合作，已研制了 1120 kW、18000r/min 的高速永磁電機(jī)，如圖所示，該電機(jī)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(hù)措施。

浙江大學(xué)對2.3 kW、150000 r /min的高速永磁無刷直流電機(jī)開展了深入研究（深入一般是有幾個博士在做），并制作了樣機(jī); 廣東工業(yè)大學(xué)對0.6 kW，200 000 r /min 的高速永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行了理論分析。但國內(nèi)對高速永磁電機(jī)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(jī)的研究還較少。高速永磁電機(jī)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)。

3?高速開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)目前可達(dá)的最大難度值為3. 51 ×?105，最大功率為250 kW( 轉(zhuǎn)速 22 000 r /min) ，最高轉(zhuǎn)速為 200 000 r /min( 功率 1 kW) 。南京航空航天大學(xué) 、北京交通大學(xué)、湖南工業(yè)大學(xué) 、華中科技大學(xué)等對高速開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)。

最后對三種主要類型的高速電機(jī)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(jī)的研究已具備了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，產(chǎn)業(yè)化勢頭良好。國內(nèi)對高速電機(jī)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(jī)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(jī)和超高速高速電機(jī)的研究與應(yīng)用還較少，在高速電機(jī)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(jī)的設(shè)計是一個多物理場和多學(xué)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(xué)、流體場與溫度場等多物理場耦合方法來分析高速電機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計技術(shù)有待完善; 高速電機(jī)的加工工藝復(fù)雜，距離產(chǎn)業(yè)化的要求還很遠(yuǎn)。

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(jìn)一步研究; 大功率高速永磁電機(jī)多采用風(fēng)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(jī)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(jī)的發(fā)展具有重要意義。

6) 對于面貼式永磁電機(jī)，合金保護(hù)套存在較大的渦流損耗，碳纖維保護(hù)套的導(dǎo)熱系數(shù)較差，給高速永磁電機(jī)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，需要對新型高強度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。

綜上所述，高速電機(jī)以后的發(fā)展和研究方向主要在:

1、大功率高速電機(jī)和超高速高速電機(jī)的關(guān)鍵問題研究;

2、基于多物理場和多學(xué)科的耦合設(shè)計;

3、定轉(zhuǎn)子損耗的理論研究與實驗驗證;

4、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;

5、高強度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)的研究;

6、不同功率和轉(zhuǎn)速等級下高速軸承的應(yīng)用;

7、良好散熱系統(tǒng)的設(shè)計; 高速電機(jī)控制系統(tǒng)的研制;