0　引言

高速電機(jī)具有體積小、功率密度大、可與高速負(fù)載直接相連、省去傳統(tǒng)的機(jī)械增速裝置、減小系統(tǒng)噪音和提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率等特點(diǎn)，在高速磨床、空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、儲(chǔ)能飛輪、燃料電池、天然氣輸送高速離心壓縮機(jī)以及作為飛機(jī)或艦載供電設(shè)備的分布式發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已成為國際電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

高速電機(jī)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子速度高、定子繞組電流和鐵心中磁通頻率高、功率密度和損耗密度大。這些特點(diǎn)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(jì)方法。

高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度通常高于10 000 r/min，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受巨大的離心力，需要采用特殊的高強(qiáng)度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；對于永磁電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度問題更為突出，因?yàn)闊Y(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；轉(zhuǎn)子與氣隙高速摩擦，在轉(zhuǎn)子表面造成的摩擦損耗遠(yuǎn)大于常速電機(jī)，給轉(zhuǎn)子散熱帶來很大困難；為了保證轉(zhuǎn)子有足夠的強(qiáng)度，高速電機(jī)轉(zhuǎn)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(yùn)行，必須采用高速軸承系統(tǒng)。

高速電機(jī)繞組電流和鐵心中磁通交變頻率很高，會(huì)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。定子電流頻率較低時(shí)，通?？梢院雎在吥w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(huì)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(jì)算方法會(huì)帶來較大誤差，為了準(zhǔn)確計(jì)算高速電機(jī)的定子鐵心損耗，需要探索高頻工況下的鐵耗計(jì)算模型；定子開槽與繞組非正弦分布引起的空間諧波以及PWM供電產(chǎn)生的電流時(shí)間諧波均會(huì)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(huì)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(jì)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(yùn)行具有重要意義；同時(shí)，高頻電壓或電流也給大功率高速電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)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(yùn)行的關(guān)鍵。

綜上所述，高速電機(jī)在轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、電磁設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與溫升計(jì)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(jì)是一個(gè)集電磁場-轉(zhuǎn)子強(qiáng)度-轉(zhuǎn)子動(dòng)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(jì)過程。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)以及爪極電機(jī)，每種電機(jī)類型又有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文對國內(nèi)外不同類型高速電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，總結(jié)了現(xiàn)有不同類型高速電機(jī)的極限指標(biāo)；詳細(xì)分析了高速電機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)特點(diǎn)，包括定子設(shè)計(jì)、不同類型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與軸承選取以及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，最后分析了高速電機(jī)發(fā)展所面臨的主要問題，展望了高速電機(jī)的發(fā)展趨勢與前景。