高速电机调研报告

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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。

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

缺点

交流高速异步电机

结构简单，造价低、抗离心力能力强，转速可以做的较高

效率较低，启动状态电流大，相应的要求电源容量大

交流高速同步电机

通过对电源的频率控制可以实现精确的速度控制

结构复杂，抗离心能力差

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

直流高速无刷电机

效率高、可以方便地实行速度控制

结构复杂，抗离心力的能力差，最大的缺点在于其必须有位置传感器，对传感器的要求较高

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。的加

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。

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

转子结构

米/秒

无刷直流电机转子

≤110

同步机迭片筒形转子

≤130

异步机迭片转子

≤110

实心转子

≤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。高速永磁无刷直流电机如图3所示。

高速永磁电机与普通的电机相比具有以下一系列优点：

(l)高速永磁电机的转子一般比较细长，因而电机具有的转动惯量小，动态响应快的优点；

(2)由于电机本身的转速较高，单位体积所产生功率大，和功率相等转速低的电机比体积要小很多，这样在减轻电机重量的同时也减小了成本；

(3)高速永磁电机可以直接与负载相连，既减小了整体设备的体积，又可以避免由系统中附加的变速装置引起的电机附加损耗、振动及噪声，而且还提高了整个传动系统的运行效率、运行精度和可靠性。

图3 高速永磁无刷直流电机

图4 高速无刷直流电动机内部结构图

3．1 高速永磁无刷直流电机的结构

高速永磁无刷直流电动机的结构如图4所示。

高速永磁无刷直流电动机的控制系统包括电源、逆变器、位置传感器、控制器还有高速电机本体，系统的各个部分相关联，使高速无刷直流电动机的控制更加的准确，整个系统的结构图如图5所示。

图5 高速无刷直流电动机控制系统结构图

3．2 高速永磁无刷直流电机的工作原理

高速永磁无刷直流电动机的工作原理类似于有刷直流电动机的工作原理，接下来介绍一下有刷直流电动机的工作原理。

有刷直流电动机的转子上没有永磁体，而是安装在定子上的，在气隙内产生励磁磁场，由洛伦兹定理可得，当电流在电枢导体中流动时，每根通电导体都会受到来自永磁体的洛伦兹力，它的计算公式为：

（1）

式中，F为电磁力；K为常数；B为电机的气隙磁密；L为电枢线圈长度；i为线圈导体电流。则整个线圈电枢绕组的洛伦兹力为：

（2）

式中，N为线圈串联导体匝数。

整个电机转子所受洛伦兹力产生的电磁转矩是以转子圆心为圆心，半径为力臂的转矩，它的计算公式为：

（3）

式中，R为线圈到转子圆心的距离。

永磁有刷直流机的电枢绕组是由多个线圈组成的，相邻线圈位移角的大小由线圈缠绕的方式决定。在电机旋转过程中，同一磁极下，虽然线圈导体在不断的更替，但是在外加电压极性不变的情况下，在此磁极下导体的电流始终保持同一方向，这是由有刷电机中电刷与换向器的换向功能所决定的。这样，电机产生电磁转矩的方向也不变，使电机能够持续的运转，这就是有刷直流电机的工作原理。

无刷直流电机和有刷直流电机的运行原理类似，无刷直流电机电枢绕组在定子上，通过控制器使通入的直流电转换为多相的方波交流电，定子磁场以n=60f/p的速度旋转。转子通过永磁体励磁，转子永磁体产生磁通与定子绕组磁通交链成转矩，并随着定子磁场同步速旋转。其设计重点为将电机气隙磁场波形设计为正弦波。无刷直流电动机没有电刷，所以不会存在电刷损坏等问题，并且其绕组是在定子上，通过机壳往外散出热量，相对有刷直流电机散热较好，并且体积较小。具有高效率，高调速范围等优点。

4 高速电机的发展现状与应用前景

4．1 国内研究现状

永磁电机有着很多其他普通电机无法比拟的优点，如今已成为电机行业研究的热点，国内对高速电机的研究还处于初级阶段，但是随着国家对永磁电机研发投入大量的人力和物力，高速电机的研发也迅猛的发展起来。

国内某研究机构针对高速永磁电机关键部分的技术进行了深入的研究，指出永磁电机的温升、转子机械强度、永磁体的保护问题和磁悬浮轴承问题是高速电机所要解决的关键问题。作者使用风冷技术对电机散热，同时还指出为了合理分配电机的损耗尽量要增加定子上的损耗，有利于高速电机的散热，避免转子损耗过大。这样的观点对高速永磁电机的设计具有非常重要的指导意义。

国内某研究机构指出，在高速永磁电机研究的诸多问题中，转子永磁体的保护问题也是主要解决的问题之一。目前国内采取保护转子永磁体的方法主要有两种：一是在转子上加一层碳纤维，但是碳纤维的导热性能差不利于转子散热；二是在转子永磁体外施加一层不锈钢护套，不锈钢的导热性能非常的好，有利于转子的散热，但是不锈钢的导磁性能不是很好。此外，国内某研究机构把转子永磁体嵌入转子内部，采用此结构的转子，由于高速永磁电机的频率较高，所以在转子表面很容易产生比较大的涡流损耗，这个时候的永磁体在转子内部，不容易散热，所以当温度高到一定程度的时候，转子永磁体很容易产生不可逆的永磁体退磁，使电机不能工作。

此外，我国的哈尔滨工业大学等一些科研院校，北京微电机厂、无锡机床厂等企业单位在高速电机的研制方面已取得了重大的成就。

4．2 国外研究现状

高速永磁电机的研究目前已成为世界整个电机领域研究的热门，主要是因为高速电机本身特有的优点，例如单位体积产生的功率大、电机本体的体积比较小、转速高，同时可控性非常强。

20世纪以来，随着军事和民用对高速电机的需求量越来越大，欧美发达国家凭借本身先进的科学技术，对高速电机的研究投入了大量的财力，使高速永磁电机的发展非常的迅猛。德克萨斯州立大学机械电子中心研发设计的用于先进机车推进系统的3 MW高速同步发电机和高速感应飞轮电机己经成功应用于新一代的高速铁路系统；美国麻省理工学院的电磁和电子系统实验室设计成功了5MW高速感应发电机；英国Turbo Genset公司推出的1.2MW高速永磁发电机为核心的新型移动电站占领了新型移动电站的领域；美国Calnetix公司开发的舰用2MW高速永磁发电机，转速范围为19000～22500r/min，并且成功的应用到航空母舰上；瑞士成功研制了功率为100W转速达到500O00r/min的高速永磁发电机，它主要是由燃气轮机驱动，可以作为便携式的发电设备。

瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院研制出高速热发电机，功率为110kw，转速为70000r/min。其中转子结构如图6所示。

英国燃气发电设备有限公司设计出一种高速永磁发电机，电机内部转子采用一个或多个同轴的圆盘，其转子永磁体的充磁方向是轴向的；电机的定子也同样由一个或多个圆盘构成。这种电机的结构非常坚固，但是设计难度非常大，不能够广泛的使用。欧美发达国家还设计出20kw、转速为47O00r/min大功率的高速永磁电动机用于冷冻和空气循环系统的动力设备。Cape Town大学设计出了飞轮储能系统的高速永磁发电机。

图6 转子结构示意图

图7 美国Allied一signal公司研制的高速永磁涡轮发电机

美国俄亥俄州州立大学设计的40kw、60000r/min的高速永磁电动机，在弱磁情况下，转速可以高达100000r/min。国外某研究机构的设计者已经将永磁无刷电机的转速设计到100000r/min以上。瑞典皇家理工学院设计的110kw、100000r/min高速永磁电机是用无位置传感器控制的。美国Allied一signal公司设计的高速永磁涡轮发电机如图7所示。

4．3 高速电机的发展前景

由于高速电机具有转速高、电机尺寸小、功率密度大、效率高等显著优点，所以在以下各方面具有广阔的应用前景。

（1）高速永磁电动机已经在空调或冰箱的离心式压缩机、储能飞轮、速磨床、纺织等诸多场合得到越来越广泛的应用，而且随着高速永磁电机研发技术的深入，特殊要求越来越多，它的应用会越来越广泛。

（2）高速永磁电机在航空、船舶、混合动力汽车等领域具有良好的发展空间。尤其是在汽车工业领域，随着混合动力汽车的日益发展，体积小、重量轻的高速发电机将会得到更充分的应用，高速永磁电机现在已经广泛应用于欧美国家的军工领域。

（3）高速永磁电机在分布式发电系统中也有着很重要的作用。永磁发电机本身体积特别小，当由燃气轮机驱动时，整个系统就会具有较高的机动性，可用来为医院、宾馆及其它重要设施提供备用电源，也可作为独立的电源或小型发电站，弥补集中式供电方式的不足，具有较高的实用价值。

5 展望

随着军工和民用对高速发电机和电动机的需求，高速电机已成为国内外研究的热点之一。由于高速电机的高功率密度和高速、高频运行特点，涉及到材料、机械、电磁、电力电子、自动化、检测技术与计算机控制等多学科的前沿技术，因此需要深入研究的问题很多，在我国尚处于起步阶段。

在电机结构上除了继续深入研究高速永磁电机并扩大其转速和功率范围外, 还需要研究感应式和磁阻转子等其他结构形式的高速电机，需要进行高速电机电磁与机械综合设计方法研究，应用电磁场、应力场与温度场耦合方法，分析计算电机定转子的高频和高速损耗和温升分布，电机的强度、刚度、振动和噪声；需要研究高温高速磁悬浮轴承系统的关键技术，具有冗余容错能力的高可靠性的磁悬浮轴承系统以及磁悬浮轴承--柔性转子系统的控制方法；需要进行高速电机功率变换和控制系统变流器的拓扑结构与控制策略研究，供电与控制系统运行状态监测与可靠性研究，高速发电机供电质量控制技术、多机并网及与其他供电系统并联运行技术的研究。