对高速电机设计及相关技术运用的浅析

【摘要】随着科技的不断发展以及新材料新工艺的出现，高速电机的技术也在不断更新。高速电机由于其体积小、机动性强、重量轻等优点被广泛应用在家电、汽车、航空、船舶等方方面面的领域。而且高速电机由于其自身的优势，还被应用于数控雕刻机、精密磨床及高速离心设备当中。本文深入浅出的对高速电机自身设计特点和相关技术的运用进行简要的分析和阐述，相信未来高速电机的应用前景将会越来越广阔。

【关键词】高速电机；设计；控制

一、引言

高速电机由于其具有转速高、体积小、节约材料、噪音小、动态响应快等特点广泛的应用在人们生活的方方面面。国外对这方面技术的研究已经取得了卓越的成果，达到了非常先进的程度。我国虽然对这方面技术的研究起步较晚，但是通过多年的努力以及自主创新，也取得了一定的成绩。本文针对高速电机具有的通风散热设计、电磁设计、转子设计、定子设计以及技术运用等方面加以分析和阐述。相信我国自主研发的高速电机一定可以达到一个更高的水平，并且广泛地应用到人民生活各个领域之中，提高生产能力以及人民生活水平。

二、高速电机的设计特点

2.1电磁设计

当频率越来越高的时候，高速电机将会迅速对铁心造成消耗，而且消耗量很大。所以要尽力减少高速电机对铁心的过度消耗，以及尽量使高速电机在低磁场的强度情况下使磁通的密度逐渐饱和。由于旋转的速度很快，产生的离心力也很强，所以对转子材料的工艺要求会很高，我们在生产的时候，要尽量选择铸铜转子，因为这种转子更加的成熟而且稳定。同时对生产的过程的要求也要朝着更加简单方便的方向发展。

2.2高速电机转子设计

2.2.1转子直径与长度的选取

从减小离心力的角度来看，高速电机转子直径应选得越小越好，然而转子要有足够大的空间放置永磁体和转轴，因而转子直径不可过小。高速电机转子一般为细长型，为了保证转子具有足够的刚度和较高的临界转速，转子轴向不可过长。

2.2.2永磁材料的选取

对于高速电机的永磁体的选择必须非常的严格，一方面它自身要具备良好的磁性能，磁通密度要高而且磁能积要最大，而且在高温的工作环境下要保持足够的稳定性。因为永磁转子自身的特性，它通常在高速、高频的条件下散热效果会不理想，同时损耗很大。所以我们必须注意当转子过热的时候会不会使得永磁体发生不可逆失磁的现象，从而尽量避免这种情况的发生。

2.2.3极数选择

两极电机的优点是转子永磁体可采用整体结构，保证转子沿径向各向同性有利于转子的动态平衡，同时可减小定子绕组电流和铁心中磁场的交变频率，有利于降低高频附加损耗，两极电机的缺点是定子绕组端部较长而铁心轭部较厚。四极的电机和两极电机的情况截然不同，它的优点主要是定子绕组端部不会太长而且铁心轭部也不会过厚。当然也有不尽人意的地方，比如永磁转子必须在多块永磁体来拼凑才行，还有定子绕组的电流以及铁心内部的磁场交变频率太高。

2.3高速电机定子设计

2.3.1定子铁心材料的选择

由于定子铁心中磁通的变化频率与电机的转速成正比，而单位铁损耗与频率的1.3至1.5次方成比例，适当降低铁心中的磁通密度并采用低损耗的铁心材料可以降低铁耗。定子铁心磁通频率随着电机的转速变化而变化，转速越快频率越高，而且铁损耗与频率也存在着一定的比例关系，所以我们应当通过各种手段来降低铁心磁通密度，尽量使用那些损耗较为低的铁心材料，达到最大限度降低铁耗的目的。

2.3.2定子铁心结构

可以采用多槽式、少槽式和无槽式三种不同类型的定子铁心。通过对一台两极高速电机在相同定转子尺寸和运行条件下采用不同槽数定子铁心结构磁场有限分析，得出的在转子表面一点的磁通密度变化曲线对比，通过对比永磁转子表面气隙磁通密度的变化曲线可以看出，无槽定子不产生高频齿谐波磁场，对减小转子损耗十分有利，但气隙过大，永磁体产生的气隙磁场较小，材料利用率过低。

2.4高速电机轴承设计

2.4.1磁力轴承

磁力轴承可分为被动式、主动式和混合式磁力轴承三种类型。被动式的磁力轴承很先进，一般是永磁体来构成，而且不需要进行控制，只有在一个自由度上施加一定的力即可，但是要避免使其发生不稳定情况。主动式磁力轴承可以实现转子悬浮，只要通过控制器来检查转子位置即可，而且当调整磁线圈的电流时还能控制悬浮力，来稳定转子的悬浮。混合式磁力轴承是主动式与被动式磁力轴承的结合，通过施加永磁体的偏磁磁场以减小主动式磁力轴承的控制功率。

2.4.2磁悬浮无轴承

磁悬浮无轴承电机是将径向磁力轴承与电机集成为一体，电机的定转子不仅要产生驱动电机转动的旋转力矩，而且要产生使转子悬浮的电磁力。无轴承电机与传统交流电机的结构基本相同，只是为了产生磁悬浮力，除了原有用以产生旋转力矩的定子绕组外，再加上一套磁悬浮力控制绕组。

三、高速电机的相关技术运用

高速电机一定得使用那种高频的逆变器来供应电能，但是高速发电机总是输出那种高频交流电，所以有必要将电力的电子功率通过一定手段来变换，成为普通用户可以接受和使用的恒频恒压交流电。一般高速电机经常是高频供电，那么它的损耗情况很嚴重，散热也不理想，所以必须使电机的绕组电压和电流是正弦波，同时减小了高次谐波的多余损耗，那么就需要对功率变换装置的要求更高更严格。当前的科技水平下高速电机重点运用的领域为微型燃气轮机驱动，并且高速电机的特点是它自身采用了电机分布式供电系统，使得对于它的控制以及变换功率技术应用非常复杂。当机组转速上升到一定值后微型燃气轮机点火，随着转速的升高和微型燃气轮机驱动功率的增加，高速电动机输出机械功率逐渐减小进而变为发电机输出电功率，将高速发电机输出的高频交流电转换为直流电，然后由输出逆变器转换为恒频恒压的工频交流电向用户供电。

四、结束语

综上所述，本文简要的对高速电机具有的通风散热设计、电磁设计、转子设计、定子设计以及技术运用进行了简要分析总结。在科技不断进步时代背景下，高速电机的发展前景将是非常广阔的，将朝着效率更好、体积更小、噪音更小的方向不断前进。我国对高速电机的研发水平不断提高的过程中，高速电机将以更加灵活更加方便的形式运用在生产、生活之的各个领域之中，方便人们生活的同时提高我国各个领域的产品生产效率以及竞争力，国内对高速电机的研发水平必将迈向一个新的台阶。

参考文献

[1]阎文.浅析现代机械设计方法及研究进展.《机电信息》，2013年3期

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