高速電機的轉速超過10000r/min，具有以下主要特點：

1）電機功率密度高，同功率情況下，體積遠小于同等功率普通電機，可有效節約原材料。

2）可與原動機直接連接，取消傳統的減速機構，傳動效率高，噪音小。

3）轉動慣量小，動態響應快。目前成功實現高速化的主要有感應電機、永磁電機和開關磁阻電機。在確定高速電機結構形式時，需要對其電磁特性和機械特性綜合對比研究。從功率密度和效率角度考慮，選擇順序為永磁電機、感應電機和磁阻電機；從轉子機械特性方面來說，選擇順序為磁阻電機、感應電機和永磁電機。目前中小功率高速電機采用永磁電機較多，中大功率高速電機采用感應電機較多。

1. 高速電機主要類型及其特點

目前應用的高速電機類型主要有感應電機、永磁電機和開關磁阻電機，每種類型的電機又有不同的拓撲結構。高速感應電機轉子結構簡單、轉動慣量低，能在高速條件下長時間運行，在高速領域應用比較廣泛。永磁電機具有效率和功率因數高，轉速調節范圍大的優點，在高速應用領域應用廣泛；相對于外永磁轉子電機，內轉子永磁電機具有轉子半徑小、可靠性強的優點，成為永磁高速電機的首選。開關磁阻電機結構簡單、堅固耐用、成本低廉，耐高溫，在高速領域應用廣泛。表1是對上述三種主要類型高速電機優缺點的總結。

表 1 三種主要類型高速電機的優缺點比較表

2.高速電機設計制造需要解決的重點問題

高速電機在設計方面與普通電機存在較大差別，設計時重點考慮電機高速運轉對轉子強度，軸承適應性，損耗散熱等方面的特殊要求。高速電機設計和發展方面主要存在以下幾點問題：

一是軸承方面，滾球軸承在高強度轉速下，可能會發生漏油問題，且負載能力有限，價格昂貴。

二是在電機的設計方面需要多學科知識進行支持，因此，需要結合不同種類的外界因素進行電機技術研究。

三是在永磁體方面，永磁體的強度和耐溫能力都相對較差，對高速永磁電機的發展極為不利。四是疊片轉子所能承受的離心力很小，渦流損耗卻較大，需要更深入的探索研究。五是在定、轉子損耗，以及相關計算方法方面，需要有所提升。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以及高速軸承的研制方面，存在與常規電機不同特性，所以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。

由于高速電機的轉子速度高于10000 r /min，電機旋轉時，常規疊片轉子難以承受巨大離心力作用，需要采用特殊的高強度疊片或采用實心轉子結構。對于永磁電機來說，因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；同時電機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，需要考慮轉子散熱問題。為保證轉子有足夠的強度，高速電機轉子設計為細長型。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增加，為避免發生彎曲共振，必須根據轉子系統的臨界轉速，對轉子強度進行相應調整改善。

高速電機的軸承運轉系統在設計時必須重點關注，合理選擇，充分考慮以下不利因素，普通滾球軸承不能承受過高的轉速，充油軸承系統龐大，高速旋轉時易發生漏油，空氣軸承承載負載能力有限，磁懸浮軸承控制復雜、價格昂貴。高速電機必須綜合最高轉速和軸承使用環境，選擇適宜結構的軸承。為提高軸承的高速性能，常采用兩種方法，一是減小滾球的直徑，如采用已標準化的71900系列主軸軸承；二是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滾珠，由于Si3N4陶瓷材料的密度僅為軸承鋼的40%，因而這種軸承的高速性能明顯高于全鋼軸承，可抑制振動及高速回轉時滾珠公轉和自轉的滑動，提高軸的回轉精度。同時注意在主軸上使用的滾動軸承均需預緊。

高速電機繞組電流和鐵芯中磁通交變頻率很高，會在電機繞組、定子鐵芯以及轉子中產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和鄰近效應對繞組損耗的影響；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。因此，高速電機定子鐵芯中磁通頻率高，趨膚效應的影響不能忽略，常規計算方法會帶來較大誤差，為準確計算高速電機的定子鐵芯損耗，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由變頻器供電產生的電流時間諧波，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，為保證高速電機可靠運行，應探索有效降低轉子渦流損耗的措施，對轉子渦流損耗進行準確計算。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，縮短繞組壽命。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。設計一個良好的冷卻系統，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。

3.高速電機生產選材影響因素和關鍵問題研究

從產業鏈上游來看，硅鋼、銅、鋁、磁性材料、變頻器等是高速電機生產中重要的原材料，其中硅鋼、磁性材料為基礎材料，變頻器為主要零部件。這些原材料的相關變動會影響高速電機的質量和成本。從產業鏈下游來看，高速電機是應用于木材、五金、玻璃、石材、PVC、航空、船舶、汽車等行業生產加工設備的配套產品，其產品性能必須滿足這些設備需要。下游行業對高速電機制造業的影響主要表現在市場需求和市場競爭，高速電機制造行業的發展依賴下游行業拉動，同時在一定程度上制約著這些行業的發展。從目前情況看，國外對高速電機的研究起步較早，已具備相當基礎，形成產業化規模。國內對高速電機研究基礎較薄弱，產業化水平較低，對高速電機的研制多集中在中小功率和較低轉速的范圍內，與國外存在較大差距。

目前高速和超高速電機的關鍵問題研究主要集中在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；滿足產業化要求的轉子加工及裝配新工藝等。

4.結論

高速電機在空調或冰箱的離心式壓縮機等多種場合得到廣泛應用，隨著科學技術的發展，設備特殊要求越來越多，高速電機的應用會越來越廣。特別是在混合動力汽車，航空，船舶等領域，具有良好的應用前景。

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