基于高速电机的调研报告
随着电力工业的发展，我国的电力工业水平已经跃居世界第二位，发电厂的装机容量在不断扩大，但是我国的电力发展及其分布却很不均匀，其根本原因在于我国幅员辽阔，东、西部经济发展不平衡，导致了不但偏远地区用电困难，中心城市在用电高峰期时电力供应也严重不足。
目前，我国电力生产、输送和分配的主要方式为集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统，这种供电模式有很多的缺点，比如：（1）电力输送所需的成本随着输电距离的增加而增大；（2）电能在输送过程中存在着损耗；（3）电力需求随季节、时间的不断变化，造成电力生产与用户需求不协调等等。另外，集中式供电模式还存在一些更严重的问题：（1）如果供电中枢或电力网出现故障，将造成的严重的经济损失，且极易遭到战争或恐怖势力的破坏；（2）集中式大电网不能跟踪电力负荷的变化，而为了短暂的峰荷建造发电厂花费巨大，且经济效益较低。
相比集中式供电系统，采用基于高速电机的液体或气体燃料的内燃机、微型燃气轮机为动力源的分布式供电系统作为辅助手段，不但可以很好地解决上述的问题，而且具有良好的环保性能。
1 高速电机的介绍
现代生活中，电机在电能的生产、输送和使用等方面起着至关重要的角色，而高速电机正成为电机研究领域的一个热点，它不仅可获得更大的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因而被认为是21世纪最有发展前途的先进制造技术之一。
1．1 高速电机的定义
所谓高速电机，通常是指转速超过10000r/min的电机，它的电机功率密度大，动态响应快，且转动惯量小，几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，可以有效的节约材料；其还可以与原动机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，减小了噪音，提高了传动系统的效率。
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1．2 高速电机的分类与优劣性
高速电机就其供电方式而言可以分为两类，即直流高速电机和交流高速电机两种，后者又分为高速异步电动机和高速同步电机。
根究不同的需求，高速电机又可分为多种结构形式，如感应电机，永磁电机和磁阻电机等。从结构上看，直流高速电机几乎全都是无刷直流电机，而无刷直流高速电机和交流离速电机均属于无触点电机的范畴，有触电的高速电机几乎是没有的，这主要是由于电机转速高和有触点电机的结构所决定的。
交直流两类高速电机各有优缺点，如表1所示，就目前来看很难断言哪类电机的优越性更大。
表1 交流高速异步、同步电机的优劣性对比
优点 结构简单，造价低、抗离心力能交流高速异步电机 力强，转速可以做的较高 通过对电源的频率控制可以实现交流高速同步电机 精确的速度控制 结构复杂，抗离心能力差 相应的要求电源容量大 缺点 效率较低，启动状态电流大，直流高速无刷电机的优劣性如表2所示。直流高速无刷电机在高速运转情况下对位置传感器的要求较高，传感器必须具有响应快、输出大、性能稳定的特性。但是，当转速高到一定程度时，这些要求对传感器而言是很难全面保证的，因此实际使用中需要根据具体情况才能决定采用哪种电机较为合适。
表2 直流高速无刷电机的优劣性
优点 缺点 结构复杂，抗离心力的能力差，效率高、可以方便地实行速度控直流高速无刷电机 制 传感器，对传感器的要求较高 最大的缺点在于其必须有位置根据查阅的资料显示，实际使用中，如果从功率密度和效率考虑，一般优先考虑的选择顺序为永磁电机、感应电机和磁阻电机。如果从转子机械特性考虑，其优先考虑选择的顺序恰好相反，即磁阻电机、感应电机和永磁电机。在确定高速电机结构形式时，需要对其电磁特性和机械特性综合对比研究，目前中小功率
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高速电机采用永磁电机较多，中大功率高速电机采用感应电机较多。
2 高速电机的特性研究与关键技术
在高速和超高速运行情况下，电机的运行特性与常规电机是有很大的不同的，因此，对电机的设计理论和控制技术具有很高的研究价值。
2．1 高速电机的特点
高速电机有两个主要特点：一是它的转子转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速度可达200m/s以上；二是它的定子绕组电流和铁心中磁通的频率高达1000Hz以上。
2．2 高速电机的关键技术
（1）高速电机不仅由于绕组电流和铁心中磁通交变频率增加导致基本电气损耗的增加，而且还增加了高频附加损耗，特别是转子表面由于高速旋转产生的风磨损耗和轴承损耗在总损耗中所占有较大的比重, 且与电机运行速度和散热条件密切相关，因而难以准确计算。随着转速的提高，同样输出条件下，相比普通电机，高速电机的体积小、重量轻，但是机械损耗和铁耗增大了。由于趋肤效应1的加剧，容易导致电机发热严重，单位体积的损耗加大，因此，如何有效的散热和冷却方式在高速电机里显得更为突出。
通常采用强迫通风和外循环水冷技术的办法解决，这样高速电机的结构就变得比较复杂，不仅有气路，还有一个供循环水存储流通的“小室”结构位于定子铁心的外面。
（2）转子强度的准确计算和动力学分析是高速电机设计的关键技术之一。高速电机在旋转时转子的离心力很大，当线速度达到200m/s以上时，常规的叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，容易造成转子变形、破碎，因此，电机转子圆周的线速度不能太大，这就要求在设计转子的结构和金属材料时使用特殊的高强度叠片或实心转子，并对其圆周速度进行限制。根据相关资料显示，其值应符合表3的要求。当转子的线速度已达到表3中的极限值，而转子的速度却未
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导线内部实际上电流很小，电流集中在临近导线外表的一薄层，结果使它的电阻增加，导线电阻的增加，使它的损耗功率也增加，这一现象称为趋肤效应。
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达到要求的转速时，就必须缩小转子的外径，因此，高速电机转子的外径通常比普通电机的小。
表3 高速电机的转子线速度要求
转子线速度 米/秒 转子结构 无刷直流电机转子 同步机迭片筒形转子 异步机迭片转子 实心转子 ≤110 ≤130 ≤110 ≤110 （3）高速电机对于所用的轴承及其润滑也有一定的要求。高速电机不能采用传统的机械轴承，而需要采用非接触式轴承。一般高速电机轴承可分为金属轴承、空气轴承和磁悬浮轴承三类。
当使用金属轴承时，对其的润滑方式是不得不考虑的问题，一般常用的是喷气润滑和喷雾润滑，喷气润滑的润滑油以喷气流的形式用1000～2000cc/min的速度吹入轴承进行润滑；喷雾润滑要求压缩空气的压力为2～2.5kg/cm2。当然，喷气润滑和油雾润滑只适用一定的转速范围，通常以电机转速与金属轴承内径之积来确定选用润滑方式的依据，该值通常称为ND值，油雾润滑ND值不大于0.7×106时适用，而喷气润滑ND值可以达到0.1×107。
空气轴承的结构原理如图1所示。用压缩空气代替油膜实现气悬浮，漏气比漏油问题容易解决。与磁悬浮轴承比，空气轴承的体积较小，控制简单；其缺点是用很薄的一层压缩空气（25nm）支撑转子，承受负载能力有限，同时对轴承材料的性能与加工精度要求极高。
图1 空气轴承结构原理示意图
磁悬浮是目前唯一可以实现主动控制的现代支承技术，通过磁力耦合实现定
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转子之间的非接触悬浮，可进行动态悬浮力控制，不存在漏油和漏气问题，在高速电机中应用较多，具有允许转速高、摩擦功耗小、无需润滑和寿命长等优点，其结构示意图如图2所示。磁悬浮技术已经成为高速电机的重要研究内容之一。
a.与电机分离的磁力轴承电机
b.与电机合为一体的无轴承电机
图2 磁悬浮轴承示意图
（4）高速电机较合理的方式是采用内装电机直接驱动，即将电机的转子直接安装在主轴上，定子安装在主轴套筒里，做成所谓电主轴的形式。该电主轴具有结构紧凑、易于平衡、传动较率高等优点，是高速主轴理想的结构。电主轴的性能除了受轴承及其润滑技术影响较大以外，还受许多因素的影响，其中包括轴承预紧力的控制、内装电机的发热与冷却、主轴的动平衡、轴上零件的连接等，此外，主轴轴端的设计也是高速电主轴不容忽视的问题。
（5）不管采用永磁发电机还是感应发电机，都需要采用适当的功率变换系统，将高速发电机输出的高频交流电能转化为恒频恒压的电能供给用户使用。高速电动机则需要变频调速系统，因此需要研究高速电机功率变换和控制系统的电路拓扑结构和控制策略。
以上提到的一系列问题均由高速引起的，转速越高这些问题就越严重，这些特点在设计和制造高速电机时必须予以充分注意。
3 高速永磁直流无刷电机的分析
高速电机可以选用交流同步电机和无刷直流电机，但是交流同步机会产生失步现象，所以通常选用无刷直流电动机。无刷直流电机转速最高可达20000r/min，甚至可以达到30000～400O0r/min。随着近些年来新材料的不断涌现、电力电子技术的迅猛发展、先进算法的不断出现使设计和应用新型电机成为可能。高速永磁无刷直流电动机的出现就是社会科学技术不断发展的表现。高速
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