高速电机具有体积小、功率密度大、可与高速负载直接相连、省去古代的死板增速装备、减小体系噪音和进步体系传动服从等特征，正在高速磨床、氛围轮回制冷体系、储能

高速电机具有体积小、功率密度大、可与高速负载直接相连、省去古代的死板增速装备、减小体系噪音和进步体系传动服从等特征，正在高速磨床、氛围轮回制冷体系、储能飞轮、燃料电池、自然气输送高速离心压缩机以及动作飞机或舰载供电装备的漫衍式发电体系等范围具有盛大的操纵前景，目前已成为国际电工范围的探求热门之一。

高速电机的闭键特征是转子速率高、定子绕组电流和死心中磁通频率高、功率密度和损耗密度大。这些特征决计了高速电机具有差别于常速电机特有的闭头技巧与安排手腕。

高速电机的转子速率普通高于10 000 r/min，正在高速转动时，向例叠片转子难以秉承宏壮的离心力，需求采用特地的高强度叠片或实心转子构造；关于永磁电机来说，转子强度题目更为卓越，由于烧结而成的永磁资料不行秉承转子高速转动出现的拉应力，必需对永磁体采用扞卫方法；转子与气隙高速摩擦，正在转子皮相酿成的摩擦损耗宏壮于常速电机，给转子散热带来很大穷困；为了担保转子有足够的强度，高速电机转子众为悠长型，因而与常速电机比拟，高速电机转子体系逼近临界转速的也许性大大扩大，为了避免爆发弯曲共振，必需凿凿预测转子体系的临界转速；平时电机轴承无法正在高速下牢靠运转，必需采用高速轴承体系。

高速电机绕组电流和死心中磁通交变频率很高，会正在电机绕组、定子死心以及转子中出现较大的高频附加损耗。定子电流频率较低时，普通可能纰漏趋肤效应和附近效应对绕组损耗的影响，但正在高频情形下，定子绕组会出现彰着的趋肤效应和附近效应，增大绕组附加损耗；高速电机定子死心中磁通频率高，趋肤效应的影响不行纰漏，向例的谋略手腕会带来较大差错，为了凿凿谋略高速电机的定子死心损耗，需求寻觅高频工况下的铁耗谋略模子；定子开槽与绕组非正弦漫衍惹起的空间谐波以及PWM供电出现的电流功夫谐波均会正在转子中出现较大的涡流损耗，因为转子体积小、散热要求差，会给转子散热带来极大穷困，因而转子涡流损耗的凿凿谋略以及寻觅有用低重转子涡流损耗的方法，对高速电机牢靠运转具有紧急事理；同时，高频电压或电流也给大功率高速电机的局限器安排带来了寻事。

高速电机的体积远小于一致功率的常速电机，不单功率密度和损耗密度大，并且散热穷困，假使不采用特地散热方法，会使电机温升过高，从而缩短绕组寿命，奇特关于永磁电机，正在转子温升过高的情形下，永磁体易爆发弗成逆退磁。安排精良的冷却体系，能有用低重定转子温升，是大功率高速电机永远安稳运转的闭头。

综上所述，高速电机正在转子强度、转子体系动力学、电磁安排、冷却体系安排与温升谋略、高速轴承以及局限器的研制等方面存正在很众向例电机所不具有的特地闭头题目，因而高速电机的安排是一个集电磁场-转子强度-转子动力学-流体场与温度场等众物理场众次迭代的归纳安排进程。目前操纵于高速范围的电机类型闭键有感想电机、永磁电机、开闭磁阻电机以及爪极电机，每种电机类型又有差别的拓扑构造。

本文对国表里差别类型高速电机的发露出状举行了明白，总结了现有差别类型高速电机的极限目标；周密明白了高速电机构造与安排特征，征求定子安排、差别类型转子构造安排、转子体系动力学明白与轴承抉择以及冷却体系的安排等，结果明白了高速电机进展所面对的闭键题目，瞻望了高速电机的进展趋向与前景。

高速电机普通指转速赶上10 000 r/min或难度值(转速和功率平方根的乘积)赶上1×105的电机，现有的百般电机中，告捷告竣高速化的闭键有感想电机、内转子永磁电机、开闭磁阻电机以及少数外转子永磁电机和爪极电机等。为了明白百般型高速电机的特征，正在文献[17]的底子上，本文对国表里百般型高速电机的发露出状举行了进一步的总结和扩展，并遵照难度值举行了陈列。

感想电机转子构造简便、转动惯量低，并能正在高温和高速的要求下长功夫运转，因而感想电机正在高速范围操纵斗劲渊博。表1给出了国表里高速感想电机的发露出状。国表里最大功率的高速感想电机为15 MW，转速为20 000 r/min，为ABB公司2002年研制，采用实心转子构造；高速感想电机最大速率为180 000 r/min，功率为10 kW，采用磁悬浮轴承，实心转子构造，线 m/s，电机的服从约为85%。国内对高速感想电机的探求相对滞后，此中重庆德马电机研制了一系列高速感想电机，水兵工程大学、沈阳工业大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等针对高速感想电机发展了很众探求劳动，水兵工程大学对2.5 MW高速感想电机发展了探求，重庆德马电机研制了100 kW、25 000 r/min高速感想电机，国内高速感想电机的进展水准远低于外洋。

从表1可看出，采用实心转子构造的高速感想电机最浩劫度值高达24.49×105，转子皮相线 m/s，而采用向例叠片转子构造的高速感想电机最浩劫度值仅为3×105，转子皮相线 m/s；正在难度值大于3×105或转子皮相线 m/s的高速感想电机众采用实心转子构造或高强度叠片转子构造。文献[24]先容的一台2 000 kW、15 000 r/min、转子皮相线 m/s的高速感想电机转子采用了AISI4130合金钢铸成的高强度叠片构造，文献[36]先容的一台5 kW、92 500 r/min、转子皮相线 m/s的高速感想电机转子也采用了高强度合金铸成的叠片转子构造。

永磁电机具有用率和功率因数高及转速局限大等便宜，因而其正在高速操纵范围倍受青睐。相关于外永磁转子电机，内转子永磁电机具有转子半径小及牢靠性强的便宜，成为高速电机的首选。

内转子高速永磁电机的发露出状如表2所示。可能看出，内转子高速永磁电机的最大功率已达8 MW，转速15 000 r/min，为面贴式永磁转子，采用碳纤维扞卫套绑缚；最高转速的永磁电机为500 000 r/min，功率为1 kW，转子皮相线 m/s，采用合金扞卫套。国内对高速永磁电机的探求闭键集合正在浙江大学、沈阳工业大学、哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、南京航空航天电机、东南大学、北京航空航天大学、江苏大学、北京交通大学、广东工业大学、南车株洲电机有限公司等，他们对高速永磁电机有面贴式(SPM)和内置式(IPM)两种转子构造。从表2可看出，除少数采用内置式转子构造外，其余众采用面贴式永磁转子构造。文献[89]对一台11 kW、50 000 r/min的高速永磁电机安排了内置式转子构造，该电机转子皮相线 m/s，转子采用高强度叠片资料。采用向例叠片资料的高速内置式永磁电机，最浩劫度值为1.13×105，最大转子皮相线高速感想电机的进展Tab.1Development of high speed induction machine

Tab.2Development of high permanent magnet machine

Fig.11 120 kW、18 000 r/min high speed permanent magnetmachine designed by shenyang university of technology表贴式永磁转子闭键有两种扞卫方法，一种是采用碳纤维绑缚，一种是采用合金护套。从表2可看出，采用合金护套时，高速电机的最浩劫度值为6.49×105，最大功率为135 kW，最大转子皮相线 m/s。而采用碳纤维绑缚的高速电机最大功率高达8 000 kW，最大皮相线高速开闭磁阻电机

开闭磁阻电机以构造简便、坚韧耐用、本钱低廉以及耐高温等便宜而备受夺目，正在高速范围的操纵日益渊博，国表里高速开闭磁阻电机的发露出状如表3所示。高速开闭磁阻电机目前可达的最浩劫度值为3.51×105，最大功率为250 kW(转速22 000 r/min)，最高转速为200 000 r/min(功率1 kW)。南京航空航天大学、北京交通大学、湖南工业大学、华中科技大学等对高速开闭磁阻电机发展了闭联探求劳动，此中南京航空航天大学研制了1 kW、130 000 r/min的开闭磁阻电机。

高速电机除上述3品种型的电机外，另有少数外转子永磁电机与爪极电机。本文对国表里其他类型的高速电机举行的不齐备统计如表4所示。外转子高速永磁电机最高难度值为3.17×105(28 kW、60 000 r/min)，最大功率为100 kW，最高转速为60 000 r/min。哈尔滨工业大学、山东大学、浙江大学针对外转子高速永磁电机发展了闭联的探求劳动，沈阳工业大学对双定子单转子轴向磁通电机和外转子爪极高速电机举行了肯定探求。

基于国表里高速电机的发露出状和闭联文献，本文正在文献[17]的底子上，对现有差别类型和构造高速电机的极限目标举行了统计，如表5所示。实心转子感想电机可抵达的难度值和转子皮相线速率最大，采用碳纤维扞卫方法的内转子永磁电机次之。这两种构造高速电机的难度值均赶上了10×105、转子皮相线 m/s。兆瓦级以上的高速电机类型众为实心转子感想电机和碳纤维扞卫方法的内转子永磁电机，也有少数高强度叠片感想电机。高强度叠片感想电机的最浩劫度值和转子皮相线速率与采用合金护套的内转子永磁电机逼近，分袂为6.5×105和290 m/s，但采用合金护套的内转子高速永磁电机目前抵达的最大功率仅为135 kW，由于合金护套中会出现豪爽的涡流损耗，不宜用于较大功率的高速永磁电机。高速开闭磁阻电机、向例叠片高速感想电机、外转子高速永磁电机的最浩劫度值邻近，约为3×105～3.5×105，目前阶段的最大功率均正在300 kW以下，最大转子皮相线 m/s之间。内置式高速永磁电机的最浩劫度值低于1.2×105，高强度叠片内置式永磁电机的最大皮相线 m/s，但采用向例叠片时仅为135 m/s。爪极电机所能秉承的难度值最低，小于1×105。

从以上明白可知，感想电机、永磁电机、开闭磁阻电机是高速电机最常用的3品种型。文献[134]基于20 kW、26 000 r/min的高速电机，对采用3种差别类型转子的电机职能举行了比拟，取得永磁电机的服从和功率密度最高，开闭磁阻电机的服从居中、功率密度最低。表6对3种转子类型高速电机的优瑕玷举行了斗劲。固然永磁电机具有较高的服从与功率密度，但永磁体抗拉强度低、抗高温特色较差，需求特地的扞卫方法和精良的散热要求，加工较庞杂。表6差别类型高速电机的比拟Tab.6Comparisons of different types high speed machine

高速电机寻常安排为2极或4极。关于2极电机，永磁体可采用全部构造，定子电流和死心中磁场的交变频率较低，有利于低重高频附加损耗，但2极电机的定子绕组端部较长、死心轭部较厚。4极电机与2极电机相反，定子绕组端部较短，死心轭部较薄，但定子绕组电流和死心中磁场的交变频率较高。

2.2槽数槽数有众槽、少槽和无槽3种计划可抉择。无槽计划不出现高频齿谐波磁场，对减小转子涡流损耗相当有利，但气隙较大，永磁体出现的气隙磁通密度小，永磁资料诈骗率低。少槽计划气隙磁通密度谐波幅值大，转子涡流损耗大，这关于高速电机来说是弗成取的。众槽计划既可取得较高的气隙磁通密度，进步资料诈骗率，又不会出现过大的转子涡流损耗。

高速电机频率高，高频下的定子死心将出现较大的铁耗，通过合理抉择定子死心资料，可有用低重定子损耗，进步电机的电磁职能。图2为差别定子资料单元重量铁耗随频率的转移弧线 mm的硅钢片资料，Vacoflux50为0.2 mm的钴钢片，Somaloy700为软磁复合(SMC)资料，Metglas2605SA1为非晶合金资料。从图2可看出，非晶合金资料的单元铁耗远小于其他资料，但该种资料的饱和磁感想强度较低(为1.2～1.3 T)，合用于死心磁通密度较低的高速电机。当电机的劳动频率低于1 000 Hz时，SMC资料单元铁耗值高于平时硅钢片，当劳动频率高于2 000 Hz时，SMC资料才具有用减小高速电机的死心损耗。单元钴钢片的损耗值小于硅钢片，但钴钢片的抗拉强度较小，约为硅钢片的一半。

古代定子绕组端部较长，扩大了转子的轴向长度，从而低重了转子体系的刚度。环型绕组构造可有用缩短定子绕组端部长度，其晦气之处是线圈嵌线工艺较庞杂。高速电机频率较高，会正在定子绕组的导体中出现较大的趋肤效应和附近效应，从而酿成附加损耗，为了低重定子绕组中的损耗，定子绕组须采用很众根较小直径的细导线并联绕制，绕组的导体半径r寻常要小于磁场正在导体中的透入深度，即为

文献[11]对圆铜线绕组的交直流损耗举行了明白，当电机频率正在1 kHz以下时，定子绕组的交、直流损耗比约为1，可纰漏趋肤效应和附近效应的影响；文献[49]对一台5 MW、6.3 kV的高速永磁电机采用了扁铜线绕组构造，并对定子绕组损耗举行了明白，明白结果显示，当频率为400 Hz时，定子绕组的调换损耗约为直流损耗的3倍，因而扁铜线绕组的交、直流损耗比受频率影响特殊彰着，正在举行高频铜耗谋略时，必需商量趋肤效应和附近效应的影响。

3.1.1转子槽型高速叠片式笼型转子普通采用绝口槽，绝口槽类型闭键有圆形槽、水滴槽、平行槽3种，如图3所示。圆形槽的上风为对转子死心上应力的漫衍影响较小，可担保转子具有较高的死板强度，工艺简便、本钱低，而瑕玷为转子齿磁通密度易出现限制过大，导条电流密渡过高，转子铜耗较大。水滴槽平宁行槽是正在圆形槽之上校正的，可有用减小转子齿磁通密度，同时增大了导条面积，减小了导条上的电流密度，具有较小的转子铜耗，但死板强度低于圆形槽。

纯铜正在温度较高的情形下会爆发软化景象，因而正在高速感想电机的安排中，闭键采用铜合金动作转子导条资料。表7列出了几种常用的铜合金资料属性，正在抉择导条资料时，要归纳商量死板强度和转子铜耗，正在担保死板强度的情形下，应抉择电导率较大的铜合金。

感想电机的端环与铜条是焊接而成的，当高速转动时，焊接处易爆发损坏，因而必需对端环举行扞卫，目前最常用的扞卫方法是用铆钉将端环与转子死心固定正在沿途以扩大转子全部的死板强度，如图4所示。

实心转子高速感想电机有如图5所示的4种转子构造。文献基于一台75 kW、60 000 r/min的高速感想电机，对4种转子构造的应力和损耗举行了斗劲明白，如图6所示。可能看出，实心钢转子构造和铜屏障转子构造的转子强度较好，开槽实心转子的转子应力宏壮于其他3种转子构造，但实心钢转子构造的转子涡流损耗最大，开槽实心转子次之；铜屏障转子和笼型实心转子由于正在转子资料中有铜导体，这些铜导体为电流供应了通途，可以减小一个别涡流，因此这两种转子的损耗比其它两种转子损耗低。

Fig.6Comparisons of stress and rotor eddy current loss

常用的永磁体资料闭键有NdFeB和SmCo。NdFeB资料的剩磁密度和矫顽力较大，但易受温度影响，最大可秉承温度约为220 ℃，抗拉强度约为80～140 MPa，SmCo资料的剩磁密度较小，受温度影响较小，可秉承的温度高达350 ℃，但抗拉强度小，约为25～35 MPa，运用SmCo永磁资料时会扩大扞卫套厚度和等效气隙长度。

为了改革古代内置式永磁转子构造正在高速运转时易正在隔磁桥处应力过大的题目，内置式高速永磁转子众采用永磁体分段，并正在永磁体段间筑立强化筋的构造。图7罗列了几种常用的内置式高速永磁转子构造。图7a为一字形永磁体分段构造，该种分段构造也可采用V形和W形等构造型式。文献[95]正在8 kW、40 000 r/min的高速永磁电机中采用了2极构造，明白了永磁体层数及每层强化筋数目等对电磁特色和转子应力的影响，永磁体层数对转子应力的影响很小，可纰漏不计，最终样机采用了图7d所示的转子构造，该种构造具有较小的漏磁系数。文献[5]先容了一种新型切向式高速永磁电机转子构造，如图7e所示，C形硅钢片挂正在高强度的不导磁轴上，永磁体为不等厚构造，逼近转轴处较厚，沿半径宗旨渐渐减小，这种构造即可低重硅钢片应力，又具有较小的漏磁系数。

Fig.7Interior permanent magnet rotor structures

表贴式高速永磁电机的转子构造如图8所示。图8a为实心永磁体构造，该转子构造为2极，永磁体采用平行充磁的办法。查阅到的闭联文献中先容的75 kW、60 000 r/min，150 kW、24 000 r/min，0.5 kW、400 000 r/min和0.1 kW、500 000 r/min的高速永磁电机均采用了该种转子构造。图8b为2极环形永磁体构造，采用了平行充磁办法和永磁体不分块技巧，该种转子构造即为2极Halbach构造，加工较简便，众用于转子外径较小的高速永磁电机，2.3 kW、150 000 r/min和10 kW、70 000 r/min等高速电机均采用了该种构造。图8c为面包式永磁转子构造，该构造的气隙磁通密度更逼近正弦波，谐波较小，但所需永磁体较厚，文献[52，53]分袂先容的1.5 MW、20 000 r/min和120 kW、70 000 r/min的高速永磁电机均采用该种转子构造。图8d为永磁体分段转子构造，极间间隙可由高温塑料、环氧树脂、碳纤维、合金等资料填充，从而低重扞卫套正在极间间隙处的弯曲应力，进步转子牢靠性，该种转子构造为高速永磁电机最常用的转子构造。为了低重转子涡流损耗，Halbach充磁转子构造越来越众的正在高速电机中操纵，图8e给出了3种Halbach充磁构造，30 kW、20 000 r/min和640 kW、10 000 r/min的高速永磁电机均采用了该种转子构造。

关于表贴式永磁转子，必需对永磁体采用扞卫方法：一种扞卫手腕是正在永磁体外面用高强度非导磁护套(如Inconel718、钛合金等)，另一种扞卫手腕是采用碳纤维等高强度纤维绑缚。两种资料的特色如表8所示。商量温度和弯曲应力时碳纤保卫套的最大可秉承应力约为1 400～1 700 MPa，大于合金钢护套最大抗拉强度，但合金护套可秉承的最大温度(290 ℃)远高于碳纤保卫套(180 ℃)。合金钢资料的电导率较高，电机空间谐波和功夫谐波会正在合金扞卫套中出现较大的涡流损耗。采用碳纤维绑缚时扞卫套厚度和高频涡流损耗较小，但碳纤维是热的不良导体，晦气于永磁转子的散热。文献[138]先容的正在合金扞卫套内层插手铜屏障层可有用制止转子涡流损耗，但对碳纤维扞卫方法制止结果并不彰着。文献[82]正在合金扞卫套上开设轴向和周向浅槽来低重转子涡流损耗，周向浅槽构造如图9所示。

Tab.8Properties of different sleeve materials

Fig.9Circumferential grooves on alloy retaining sleeve

针对高速永磁电机，文献[139]提出了一种半导磁的合金扞卫套，相对磁导率为7.2，与非导磁合金扞卫套比拟，采用半导磁扞卫套可彰着改革电机的空载反电动势波形。文献[140]先容了一台75 kW、60 000 r/min的高速永磁电机，该文从电磁特色、转子应力、转子温度等方面归纳斗劲了碳纤维扞卫套、非导磁合金护套以及半导磁合金护套的职能。采用碳纤保卫套所需扞卫套厚度、转子损耗、转子温度均最小，采用半导磁合金护套所需永磁体厚度最小，扞卫套厚度小于非导磁合金护套，但转子涡流损耗宏壮于非导磁合金护套和碳纤维扞卫套。

文献[141]对一台1 120 kW、18 000 r/min的高速永磁电机安排了两种扞卫方法：一种采用纯碳纤维扞卫方法，一种采用合金钢和碳纤维联合构成的夹杂扞卫方法，如图10所示。此中纯碳纤维扞卫套与永磁体采用过盈配合，夹杂扞卫方法与永磁体采用间隙配合，间隙处填充高强度粘合剂，夹杂扞卫方法可低重纯碳纤维扞卫套的弯曲应力。实践证实采用上述扞卫方法的两种转子样机均能正在22 000 r/min安静运转。

文献[71，142]中先容的转速分袂为200 000 r/min和60 000 r/min的两台高速永磁电机，正在碳纤维扞卫套内层均纠缠了一层较薄的玻璃丝纤维，目标正在于有用制止正在永磁体弯曲处和永磁体分块对碳纤保卫套酿成的弯曲应力，进步扞卫套牢靠性。

转子动力学安排是高速旋起色械安排的紧急实质，转子转动时，转子的质料中央和反转中央总会有肯定的谬误，使转子出现周期性的离心滋扰力，使得转子的偏爱进一步扩大，转子振动的幅度进一步增大，当转子的转速与转子的临界转速逼近时，转子将会爆发强烈的弯曲振动，惹起通盘机组振动，告急时乃至使得转子遭到破损。关于刚性转子，劳动转速n应低于一阶临界转速nc1，即n<0.7nc1；关于挠性转子，应使劳动转速正在一阶临界转速nc1和二阶临界转速nc 2之间，即1.4nc1