0　引言

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

高速電機的主要特點(diǎn)是轉子速度高、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)決定了高速電機具有不同于常速電機特有的關(guān)鍵技術(shù)與設計方法。

高速電機的轉子速度通常高于10 000 r/min，在高速旋轉時(shí)，常規疊片轉子難以承受巨大的離心力，需要采用特殊的高強度疊片或實(shí)心轉子結構；對于永磁電機來(lái)說(shuō)，轉子強度問(wèn)題更為突出，因為燒結而成的永磁材料不能承受轉子高速旋轉產(chǎn)生的拉應力，必須對永磁體采取保護措施；轉子與氣隙高速摩擦，在轉子表面造成的摩擦損耗遠大于常速電機，給轉子散熱帶來(lái)很大困難；為了保證轉子有足夠的強度，高速電機轉子多為細長(cháng)型，因此與常速電機相比，高速電機轉子系統接近臨界轉速的可能性大大增加，為了避免發(fā)生彎曲共振，必須準確預測轉子系統的臨界轉速；普通電機軸承無(wú)法在高速下可靠運行，必須采用高速軸承系統。

高速電機繞組電流和鐵心中磁通交變頻率很高，會(huì )在電機繞組、定子鐵心以及轉子中產(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效應和鄰近效應對繞組損耗的影響，但在高頻情況下，定子繞組會(huì )產(chǎn)生明顯的趨膚效應和鄰近效應，增大繞組附加損耗；高速電機定子鐵心中磁通頻率高，趨膚效應的影響不能忽略，常規的計算方法會(huì )帶來(lái)較大誤差，為了準確計算高速電機的定子鐵心損耗，需要探索高頻工況下的鐵耗計算模型；定子開(kāi)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 )在轉子中產(chǎn)生較大的渦流損耗，由于轉子體積小、散熱條件差，會(huì )給轉子散熱帶來(lái)極大困難，因此轉子渦流損耗的準確計算以及探索有效降低轉子渦流損耗的措施，對高速電機可靠運行具有重要意義；同時(shí)，高頻電壓或電流也給大功率高速電機的控制器設計帶來(lái)了挑戰。

高速電機的體積遠小于同等功率的常速電機，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 )使電機溫升過(guò)高，從而縮短繞組壽命，特別對于永磁電機，在轉子溫升過(guò)高的情況下，永磁體易發(fā)生不可逆退磁。設計良好的冷卻系統，能有效降低定轉子溫升，是大功率高速電機長(cháng)期穩定運行的關(guān)鍵。

綜上所述，高速電機在轉子強度、轉子系統動(dòng)力學(xué)、電磁設計、冷卻系統設計與溫升計算、高速軸承以及控制器的研制等方面存在許多常規電機所不具有的特殊關(guān)鍵問(wèn)題，因此高速電機的設計是一個(gè)集電磁場(chǎng)-轉子強度-轉子動(dòng)力學(xué)-流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)多次迭代的綜合設計過(guò)程。目前應用于高速領(lǐng)域的電機類(lèi)型主要有感應電機、永磁電機、開(kāi)關(guān)磁阻電機以及爪極電機，每種電機類(lèi)型又有不同的拓撲結構。

本文對國內外不同類(lèi)型高速電機的發(fā)展現狀進(jìn)行了分析，總結了現有不同類(lèi)型高速電機的極限指標；詳細分析了高速電機結構與設計特點(diǎn)，包括定子設計、不同類(lèi)型轉子結構設計、轉子系統動(dòng)力學(xué)分析與軸承選取以及冷卻系統的設計等，最后分析了高速電機發(fā)展所面臨的主要問(wèn)題，展望了高速電機的發(fā)展趨勢與前景。