高速电机具有体积小、功率密度大、可与高速负载直接相连、省去古代的呆滞增速装置、减小编制噪音和发展编制传动屈服等特色，正正在高速磨床、气氛循环制冷编制、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、省去古代的呆滞增速装置、减小编制噪音和发展编制传动屈服等特色，正正在高速磨床、气氛循环制冷编制、储能飞轮、燃料电池、自然气输送高速离心压缩机以及作为飞机或舰载供电装置的漫衍式发电编制等畛域具有广大的控制前景，目前已成为邦际电工畛域的考究热门之一。
高速电机的闭键特色是转子速度高、定子绕组电流和舍弃中磁通频率高、功率密度和损耗密度大。这些特色决计了高速电机具有区别于常速电机特有的闭头手艺与铺排手腕。
高速电机的转子速度广泛高于10 000 r/min，正正在高速转动时，向例叠片转子难以继承宏壮的离心力，需求采用分外的高强度叠片或实心转子构制；合于永磁电机来说，转子强度标题更为出色，因为烧结而成的永磁原料弗成继承转子高速转动涌现的拉应力，必要对永磁体采用扞卫步骤；转子与气隙高速摩擦，正正在转子皮相变成的摩擦损耗宏壮于常速电机，给转子散热带来很大窘蹙；为了担保转子有足够的强度，高速电机转子众为悠长型，所以与常速电机比较，高速电机转子编制挨近临界转速的也许性大大扩张，为了避免发作弯曲共振，必要凿凿预测转子编制的临界转速；平日电机轴承无法正正在高速下牢靠运转，必要采用高速轴承编制。
高速电机绕组电流和舍弃中磁通交变频率很高，会正正在电机绕组、定子舍弃以及转子中涌现较大的高频附加损耗。定子电流频率较低时，广泛或者疏忽趋肤效应和邻近效应对绕组损耗的影响，但正正在高频境况下，定子绕组会涌现彰着的趋肤效应和邻近效应，增大绕组附加损耗；高速电机定子舍弃中磁通频率高，趋肤效应的影响弗成疏忽，向例的谋划手腕会带来较大错误，为了凿凿谋划高速电机的定子舍弃损耗，需求寻觅高频工况下的铁耗谋划模型；定子开槽与绕组非正弦漫衍惹起的空间谐波以及PWM供电涌现的电流时刻谐波均会正正在转子中涌现较大的涡流损耗，由于转子体积小、散热请求差，会给转子散热带来极大窘蹙，所以转子涡流损耗的凿凿谋划以及寻觅有效低重转子涡流损耗的步骤，对高速电机牢靠运转具有紧迫理由；同时，高频电压或电流也给大功率高速电机的范围器铺排带来了寻事。
高速电机的体积远小于一概功率的常速电机，不但功率密度和损耗密度大，而且散热窘蹙，假使不采用分外散热步骤，会使电机温升过高，从而缩短绕组寿命，特别合于永磁电机，正正在转子温升过高的境况下，永磁体易发作弗成逆退磁。铺排优秀的冷却编制，能有效低重定转子温升，是大功率高速电机长期稳固运转的闭头。
综上所述，高速电机正正在转子强度、转子编制动力学、电磁铺排、冷却编制铺排与温升谋划、高速轴承以及范围器的研制等方面存正正在很众向例电机所不具有的分外闭头标题，所以高速电机的铺排是一个集电磁场-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概括铺排历程。目前控制于高速畛域的电机类型闭键有感思电机、永磁电机、开闭磁阻电机以及爪极电机，每种电机类型又有区别的拓扑构制。
本文对邦内外区别类型高速电机的发呈现状进行了认识，总结了现有区别类型高速电机的极限宗旨；详细认识了高速电机构制与铺排特色，包罗定子铺排、区别类型转子构制铺排、转子编制动力学认识与轴承抉择以及冷却编制的铺排等，结果认识了高速电机发达所面临的闭键标题，展望了高速电机的发达趋势与前景。
高速电机广泛指转速领先10 000 r/min或难度值(转速和功率平方根的乘积)领先1×105的电机，现有的万般电机中，成功完成高速化的闭键有感思电机、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。为了认识万般型高速电机的特色，正正在文献[17]的根基上，本文对邦内外万般型高速电机的发呈现状进行了进一步的总结和扩展，并服从难度值进行了陈设。
感思电机转子构制轻便、转动惯量低，并能正正在高温和高速的请求下长时刻运转，所以感思电机正正在高速畛域控制斗劲深奥。外1给出了邦内外高速感思电机的发呈现状。邦内外最大功率的高速感思电机为15 MW，转速为20 000 r/min，为ABB公司2002年研制，采用实心转子构制；高速感思电机最大速度为180 000 r/min，功率为10 kW，采用磁悬浮轴承，实心转子构制，线 m/s，电机的屈服约为85%。邦内对高速感思电机的考究相对滞后，此中重庆德马电机研制了一系列高速感思电机，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思电机起色了很众考究劳动，水兵工程大学对2.5 MW高速感思电机起色了考究，重庆德马电机研制了100 kW、25 000 r/min高速感思电机，邦内高速感思电机的发达水准远低于邦外。
从外1可看出，采用实心转子构制的高速感思电机最大难度值高达24.49×105，转子皮相线 m/s，而采用向例叠片转子构制的高速感思电机最大难度值仅为3×105，转子皮相线 m/s；正正在难度值大于3×105或转子皮相线 m/s的高速感思电机众采用实心转子构制或高强度叠片转子构制。文献[24]先容的一台2 000 kW、15 000 r/min、转子皮相线 m/s的高速感思电机转子采用了AISI4130合金钢铸成的高强度叠片构制，文献[36]先容的一台5 kW、92 500 r/min、转子皮相线 m/s的高速感思电机转子也采用了高强度合金铸成的叠片转子构制。
永磁电机具有效率和功率因数高及转速范围大等省钱，所以其正正在高速控制畛域倍受青睐。合系于外永磁转子电机，内转子永磁电机具有转子半径小及牢靠性强的省钱，成为高速电机的首选。
内转子高速永磁电机的发呈现状如外2所示。或者看出，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，采用碳纤维扞卫套系缚；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。邦内对高速永磁电机的考究闭键聚集正正在浙江大学、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)两种转子构制。从外2可看出，除少数采用内置式转子构制外，其余众采用面贴式永磁转子构制。文献[89]对一台11 kW、50 000 r/min的高速永磁电机铺排了内置式转子构制，该电机转子皮相线 m/s，转子采用高强度叠片原料。采用向例叠片原料的高速内置式永磁电机，最大难度值为1.13×105，最大转子皮相线高速感思电机的发达Tab.1Development of high speed induction machine
开闭磁阻电机以构制轻便、坚固耐用、成本低廉以及耐高温等省钱而备受属目，正正在高速畛域的控制日益深奥，邦内外高速开闭磁阻电机的发呈现状如外3所示。高速开闭磁阻电机目前可达的最大难度值为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起色了闭联考究劳动，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种类型的电机外，另有少数外转子永磁电机与爪极电机。本文对邦内外其他类型的高速电机进行的不周备统计如外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起色了闭联的考究劳动，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进行了笃信考究。
基于邦内外高速电机的发呈现状和闭联文献，本文正正在文献[17]的根基上，对现有区别类型和构制高速电机的极限宗旨进行了统计，如外5所示。实心转子感思电机可抵达的难度值和转子皮相线速度最大，采用碳纤维扞卫步骤的内转子永磁电机次之。这两种构制高速电机的难度值均领先了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思电机和碳纤维扞卫步骤的内转子永磁电机，也有少数高强度叠片感思电机。高强度叠片感思电机的最大难度值和转子皮相线速度与采用合金护套的内转子永磁电机挨近，诀别为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，因为合金护套中会涌现豪爽的涡流损耗，不宜用于较大功率的高速永磁电机。高速开闭磁阻电机、向例叠片高速感思电机、外转子高速永磁电机的最大难度值附近，约为3×105～3.5×105，目前阶段的最大功率均正正在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大难度值低于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。爪极电机所能继承的难度值最低，小于1×105。
从以上认识可知，感思电机、永磁电机、开闭磁阻电机是高速电机最常用的3种类型。文献[134]基于20 kW、26 000 r/min的高速电机，对采用3种区别类型转子的电机性能进行了比较，博得永磁电机的屈服和功率密度最高，开闭磁阻电机的屈服居中、功率密度最低。外6对3种转子类型高速电机的优瑕玷进行了斗劲。虽然永磁电机具有较高的屈服与功率密度，但永磁体抗拉强度低、抗高温特点较差，需求分外的扞卫步骤和优秀的散热请求，加工较芜杂。外6区别类型高速电机的比较Tab.6Comparisons of different types high speed machine
高速电机寻常铺排为2极或4极。合于2极电机，永磁体可采用全数构制，定子电流和舍弃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、舍弃轭部较厚。4极电机与2极电机相反，定子绕组端部较短，舍弃轭部较薄，但定子绕组电流和舍弃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种安顿可抉择。无槽安顿不涌现高频齿谐波磁场，对减小转子涡流损耗相当有利，但气隙较大，永磁体涌现的气隙磁通密度小，永磁原料诈骗率低。少槽安顿气隙磁通密度谐波幅值大，转子涡流损耗大，这合于高速电机来说是弗成取的。众槽安顿既可博得较高的气隙磁通密度，发展原料诈骗率，又不会涌现过大的转子涡流损耗。
高速电机频率高，高频下的定子舍弃将涌现较大的铁耗，通过合理抉择定子舍弃原料，可有效低重定子损耗，发展电机的电磁性能。图2为区别定子原料单位重量铁耗随频率的转动弧线 mm的硅钢片原料，Vacoflux50为0.2 mm的钴钢片，Somaloy700为软磁复合(SMC)原料，Metglas2605SA1为非晶合金原料。从图2可看出，非晶合金原料的单位铁耗远小于其他原料，但该种原料的饱和磁感思强度较低(为1.2～1.3 T)，适用于舍弃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原料单位铁耗值高于平日硅钢片，当劳动频率高于2 000 Hz时，SMC原料才具有效减小高速电机的舍弃损耗。单位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，扩张了转子的轴向长度，从而低重了转子编制的刚度。环型绕组构制可有效缩短定子绕组端部长度，其不利之处是线圈嵌线工艺较芜杂。高速电机频率较高，会正正在定子绕组的导体中涌现较大的趋肤效应和邻近效应，从而变成附加损耗，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进行了认识，当电机频率正正在1 kHz以下时，定子绕组的交、直流损耗比约为1，可疏忽趋肤效应和邻近效应的影响；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制，并对定子绕组损耗进行了认识，认识结果显示，当频率为400 Hz时，定子绕组的变换损耗约为直流损耗的3倍，所以扁铜线绕组的交、直流损耗比受频率影响奇特彰着，正正在进行高频铜耗谋划时，必要谈判趋肤效应和邻近效应的影响。
3.1.1转子槽型高速叠片式笼型转子广泛采用绝口槽，绝口槽类型闭键有圆形槽、水滴槽、平行槽3种，如图3所示。圆形槽的优势为对转子舍弃上应力的漫衍影响较小，可担保转子具有较高的呆滞强度，工艺轻便、成本低，而瑕玷为转子齿磁通密度易涌现局部过大，导条电流密度过高，转子铜耗较大。水滴槽平宁行槽是正正在圆形槽之上校正的，可有效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，但呆滞强度低于圆形槽。
纯铜正正在温度较高的境况下会发作软化景致，所以正正在高速感思电机的铺排中，闭键采用铜合金作为转子导条原料。外7列出了几种常用的铜合金原料属性，正正在抉择导条原料时，要概括谈判呆滞强度和转子铜耗，正正在担保呆滞强度的境况下，应抉择电导率较大的铜合金。
感思电机的端环与铜条是焊接而成的，当高速转动时，焊接处易发作损坏，所以必要对端环进行扞卫，目前最常用的扞卫步骤是用铆钉将端环与转子舍弃固定正正在沿途以扩张转子全数的呆滞强度，如图4所示。
实心转子高速感思电机有如图5所示的4种转子构制。文献基于一台75 kW、60 000 r/min的高速感思电机，对4种转子构制的应力和损耗进行了斗劲认识，如图6所示。或者看出，实心钢转子构制和铜屏蔽转子构制的转子强度较好，开槽实心转子的转子应力宏壮于其他3种转子构制，但实心钢转子构制的转子涡流损耗最大，开槽实心转子次之；铜屏蔽转子和笼型实心转子因为正正在转子原料中有铜导体，这些铜导体为电流供应了通途，可能减小一个人涡流，所以这两种转子的损耗比其它两种转子损耗低。
常用的永磁体原料闭键有NdFeB和SmCo。NdFeB原料的剩磁密度和矫顽力较大，但易受温度影响，最大可继承温度约为220 ℃，抗拉强度约为80～140 MPa，SmCo原料的剩磁密度较小，受温度影响较小，可继承的温度高达350 ℃，但抗拉强度小，约为25～35 MPa，利用SmCo永磁原料时会扩张扞卫套厚度和等效气隙长度。
为了鼎新古代内置式永磁转子构制正正在高速运转时易正正在隔磁桥处应力过大的标题，内置式高速永磁转子众采用永磁体分段，并正正在永磁体段间筑立深化筋的构制。图7陈列了几种常用的内置式高速永磁转子构制。图7a为一字形永磁体分段构制，该种分段构制也可采用V形和W形等构制型式。文献[95]正正在8 kW、40 000 r/min的高速永磁电机中采用了2极构制，认识了永磁体层数及每层深化筋数目等对电磁特点和转子应力的影响，永磁体层数对转子应力的影响很小，可疏忽不计，最终样机采用了图7d所示的转子构制，该种构制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制，如图7e所示，C形硅钢片挂正正在高强度的不导磁轴上，永磁体为不等厚构制，挨近转轴处较厚，沿半径方向垂垂减小，这种构制即可低重硅钢片应力，又具有较小的漏磁系数。
外贴式高速永磁电机的转子构制如图8所示。图8a为实心永磁体构制，该转子构制为2极，永磁体采用平行充磁的方法。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制。图8b为2极环形永磁体构制，采用了平行充磁方法和永磁体不分块手艺，该种转子构制即为2极Halbach构制，加工较轻便，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制。图8c为面包式永磁转子构制，该构制的气隙磁通密度更挨近正弦波，谐波较小，但所需永磁体较厚，文献[52，53]诀别先容的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制。图8d为永磁体分段转子构制，极间间隙可由高温塑料、环氧树脂、碳纤维、合金等原料填充，从而低重扞卫套正正在极间间隙处的弯曲应力，发展转子牢靠性，该种转子构制为高速永磁电机最常用的转子构制。为了低重转子涡流损耗，Halbach充磁转子构制越来越众的正正在高速电机中控制，图8e给出了3种Halbach充磁构制，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制。
合于外贴式永磁转子，必要对永磁体采用扞卫步骤：一种扞卫手腕是正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系缚。两种原料的特点如外8所示。谈判温度和弯曲应力时碳纤防卫套的最大可继承应力约为1 400～1 700 MPa，大于合金钢护套最大抗拉强度，但合金护套可继承的最大温度(290 ℃)远高于碳纤防卫套(180 ℃)。合金钢原料的电导率较高，电机空间谐波和时刻谐波会正正在合金扞卫套中涌现较大的涡流损耗。采用碳纤维系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，不利于永磁转子的散热。文献[138]先容的正正在合金扞卫套内层加入铜屏蔽层可有效中止转子涡流损耗，但对碳纤维扞卫步骤中止结果并不彰着。文献[82]正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，周向浅槽构制如图9所示。
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较，采用半导磁扞卫套可彰着鼎新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，该文从电磁特点、转子应力、转子温度等方面概括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性能。采用碳纤防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的高速永磁电机铺排了两种扞卫步骤：一种采用纯碳纤维扞卫步骤，一种采用合金钢和碳纤维撮合组成的混合扞卫步骤，如图10所示。此中纯碳纤维扞卫套与永磁体采用过盈配合，混合扞卫步骤与永磁体采用间隙配合，间隙处填充高强度粘合剂，混合扞卫步骤可低重纯碳纤维扞卫套的弯曲应力。执行说明采用上述扞卫步骤的两种转子样机均能正正在22 000 r/min冷清运转。
文献[71，142]中先容的转速诀别为200 000 r/min和60 000 r/min的两台高速永磁电机，正正在碳纤维扞卫套内层均轇轕了一层较薄的玻璃丝纤维，宗旨正正在于有效中止正正在永磁体弯曲处和永磁体分块对碳纤防卫套变成的弯曲应力，发展扞卫套牢靠性。
转子动力学铺排是高速旋开展械铺排的紧迫本质，转子转动时，转子的原料焦点和反转焦点总会有笃信的谬论，使转子涌现周期性的离心侵犯力，使得转子的偏幸进一步扩张，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挨近时，转子将会发作猛烈的弯曲振动，惹起总共机组振动，紧张时甚至使得转子遭到破损。合于刚性转子，劳动转速n应低于一阶临界转速nc1，即n0.7nc1；合于挠性转子，应使劳动转速正正在一阶临界转速nc1和二阶临界转速nc 2之间，即1.4nc1
