高轉(zhuǎn)速微型電機(jī)就是轉(zhuǎn)速非常高，它的特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)子速度高、定子繞組電流和鐵芯磁通頻率高、功率密度和密度大。高轉(zhuǎn)速電機(jī)具有不同于普通微型電機(jī)的技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，難度也高于普通轉(zhuǎn)速的電機(jī)。

  高轉(zhuǎn)速電機(jī)的應(yīng)用

  高轉(zhuǎn)速在家用空調(diào)、冰箱、航空航天、汽車船舶等產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，小型的電子產(chǎn)品諸如電動(dòng)牙刷、潔面儀、美容儀、電動(dòng)玩具、按摩儀等等也會(huì)用到高轉(zhuǎn)速的微型電機(jī)。

  高轉(zhuǎn)速微型電機(jī)轉(zhuǎn)子速度通常是高于10000r/min，高轉(zhuǎn)速微型電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)下，常規(guī)的碟片轉(zhuǎn)子是難承受如此大的離心力的，一般是采用特殊的高強(qiáng)度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，尤其是大型的高轉(zhuǎn)速電機(jī)。對(duì)于永磁電機(jī)來講，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度問題也是比較突出，燒結(jié)成的永磁材料承受不了高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生產(chǎn)拉應(yīng)力，所以需要要對(duì)永磁體采取保護(hù)措施，另外電機(jī)轉(zhuǎn)子和氣隙高速摩擦，轉(zhuǎn)子表面的摩擦損耗高于普通電機(jī)，這就需要考慮轉(zhuǎn)子的散熱問題了。

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  為了保證轉(zhuǎn)子有足夠的強(qiáng)度， 高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的樣子多為細(xì)長(zhǎng)型。 因此與常速電機(jī)相比， 高轉(zhuǎn)速轉(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(cè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速; 普通電機(jī)軸承無(wú)法在高速下可靠運(yùn)行，必須采用高速軸承系統(tǒng)。

  電機(jī)繞組電流和鐵芯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。當(dāng)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(duì)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; 高轉(zhuǎn)速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)算高轉(zhuǎn)速的定子鐵心損耗， 需要探索（有點(diǎn)摸著石頭過河的感覺）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由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(duì)高轉(zhuǎn)速可靠運(yùn)行具有重要意義; 同時(shí)高頻電壓或電流也給大功率轉(zhuǎn)速電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

  高轉(zhuǎn)速的體積遠(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(duì)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)一個(gè)良好的冷卻系統(tǒng)， 能有效降低定轉(zhuǎn)子溫升， 是大功率高轉(zhuǎn)速長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

  綜上所述， 高轉(zhuǎn)速在轉(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， 因此高轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)是一個(gè)集電磁場(chǎng)-轉(zhuǎn)子強(qiáng)度-轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)-流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)多次迭代的綜合設(shè)計(jì)過程。

  高轉(zhuǎn)速電機(jī)的類型

  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)等， 每種電機(jī)類型又有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

  1）高速感應(yīng)電機(jī)：感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低， 并能在高溫和高速的條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行， 因此感應(yīng)電機(jī)在高速領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛 。國(guó)內(nèi)外最大功率的高速感應(yīng)電機(jī)為15MW， 轉(zhuǎn)速為20000 r/min，在2002年研制的， 采用的是實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu); 高速感應(yīng)電機(jī)最大速度為180000 r/min，功率為10kW，采用磁懸浮軸承， 實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，線速度為219m /s， 電機(jī)的效率約為85% ；

  2）內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)：永磁電機(jī)具有效率和功率因數(shù)高及轉(zhuǎn)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)， 因此其在高速應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞。相對(duì)于外永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)， 內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)子半徑小及可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，成為高轉(zhuǎn)速的首選。內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)的最大功率已達(dá)8MW，轉(zhuǎn)速15000r /min， 為面貼式永磁轉(zhuǎn)子， 采用碳纖維保護(hù)套捆扎; 最高轉(zhuǎn)速的永磁電機(jī)為500000r/min，功率為1kW， 轉(zhuǎn)子表面線速度為261m /s，采用合金保護(hù)套。

  3）高速開關(guān)磁阻電機(jī)：開關(guān)磁阻電機(jī)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉以及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目， 在高速領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。高速開關(guān)磁阻電機(jī)目前可達(dá)的最大難度值為3. 51 × [公式]， 最大功率為250 kW( 轉(zhuǎn)速 22 000 r /min) ，最高轉(zhuǎn)速為 200000 r /min( 功率 1 kW) 經(jīng)過不斷的的發(fā)展， 國(guó)外對(duì)高轉(zhuǎn)速的研究已具備了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)， 產(chǎn)業(yè)化勢(shì)頭良好。國(guó)內(nèi)對(duì)高轉(zhuǎn)速的研究基礎(chǔ)還較薄弱， 產(chǎn)業(yè)化水平較低， 國(guó)內(nèi)對(duì)高轉(zhuǎn)速的研制多集中在中小功率和較低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)， 與國(guó)外尚有較大差距。

  綜合國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，針對(duì)兆瓦級(jí)以上的大功率高轉(zhuǎn)速和超高速高轉(zhuǎn)速的研究與應(yīng)用還較少， 在高轉(zhuǎn)速的設(shè) 計(jì)與分析方面仍有一些問題亟需解決，主要包括:

  1) 高轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)是一個(gè)多物理場(chǎng)和多學(xué)科交叉的綜合設(shè)計(jì)過程， 基于電磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合方法來分析高轉(zhuǎn)速的技術(shù)尚不成熟；??

  2) 高速軸承仍有很多問題亟需解決: 滾球軸承不能承受過高的轉(zhuǎn)速， 充油軸承系統(tǒng)龐大且在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)易發(fā)生漏油問題， 空氣軸承承載負(fù)載能力有限， 磁懸浮軸承控制復(fù)雜、價(jià)格昂貴；??

  3) 大功率高轉(zhuǎn)速功率變換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與控制策略、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)還很薄弱; 大功率高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)有待完善; 高轉(zhuǎn)速的加工工藝復(fù)雜， 距離產(chǎn)業(yè)化的要求還很遠(yuǎn)；?

  4) 定轉(zhuǎn)子損耗的理論分析、計(jì)算方法以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面有待進(jìn)一步研究; 大功率高速永磁電機(jī)多采用風(fēng)冷和水冷相結(jié)合的冷卻方式， 冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 冷卻效果有限；?

  5) 永磁體抗拉強(qiáng)度低、耐溫能力差制約著高速永磁電機(jī)向超高速和大功率方向發(fā)展， 研發(fā)更高抗拉強(qiáng)度和更高耐溫水平的永磁材料對(duì)高轉(zhuǎn)速的發(fā)展具有重要意義；?

  6) 對(duì)于面貼式永磁電機(jī)， 合金保護(hù)套存在較大的渦流損耗， 碳纖維保護(hù)套的導(dǎo)熱系數(shù)較差， 給高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子散熱帶來了較大困難， 因此開發(fā)高導(dǎo)熱特性的纖維材料對(duì)于高速轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)有重要價(jià)值；

  7) 常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子不能承受較大的離心力， 實(shí)心轉(zhuǎn)子存在較大的渦流損耗， 需要對(duì)新型高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。

  ?高轉(zhuǎn)速以后的發(fā)展和研究方向主要在大功率高轉(zhuǎn)速和超高速高轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵問題研究、基于多物理場(chǎng)和多學(xué)科的耦合設(shè)計(jì)、定轉(zhuǎn)子損耗的理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、高強(qiáng)度與高耐溫能力的永磁材料、高導(dǎo)熱系數(shù)的纖維材料等新材料的開發(fā)及應(yīng)用、高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)的研究、不同功率和轉(zhuǎn)速等級(jí)下高速軸承的應(yīng)用、良好散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì); 高轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的研制、滿足產(chǎn)業(yè)化要求的轉(zhuǎn)子加工及裝配新工藝等。
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