来源： 核动力蜗牛 电机产品技术前哨

“ 在体积更小、功率更高追求驱动下，电机的转速一路攀升，从早期的两三千转，一直攀升到几万甚至几十万转。更高的转速使得功率密度和原材料利用率提高。因此高转速是强趋势，以新能源驱动为例，丰田Prius推出的第一代产品最高转速才6000rpm，到目前的第四代产品转速达到17000rpm。 本期我们跳出新能源领域，以更高的视角去看看转速电机的应用场合及背后的关键技术。”

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怎么定义高速电机

什么是高速电机，没有明确的边界定义。一般超过10000rpm都可以称为高速电机。也有用转子旋转的线速度来定义，高速电机的线速度一般大于50m/s，转子的离心应力和线速度的平方成正比，因此按线速度划分反应了转子结构设计难易程度。国外有学者采用速度和根号下功率乘积来定义高速电机，这种划分即考虑了转子的难易程度，又考量了电机的能量大小，更加科学合理。按此标准可以将高速电机定义为高速和 超高速两大类。

高速电机和超高速电机的区别在于功率和转速的乘积大小。我们用三个案例来理解这个概念：

如果单纯就高速工作点而言，电机的难度随功率和转速乘积呈阶梯上升，因此我们可以用这个指标来评判高速电机的高速化程度；

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高速电机的应用场合

理解一个电机，最好是从应用角度去了解，高速电机的应用正在以爆炸式的方式在扩展，我们大致按高速程度来排序，有如下这些应用。

下图是westwind公司的电转产品，200w@300krpm，采用无铁芯的PCB绕组工艺，并且将控制芯片也集成在内，体积非常小巧，这种电转也可以用在牙科等医疗设备上。

分子泵是一种获取高真空的常用物理设备，也可以用于分离空气，获得高清洁空气。这种应用的电机转速可以达32krpm@500w，可以采用感应电机的方案，也可以采用集中绕组永磁电机的方案来设计。

飞轮储能的细分领域有很多，有飞机上用的飞轮储能，有电站用的飞轮储能，下面这个例子是车用驱动的飞轮储能产品，其概念相当于混动汽车的电池储能或者超级电容储能，当汽车需要爆发功率时，飞轮储能电机能够作为发电机将电供给给电源。下面这款储能电机功率为30kw转速为5万转，采用感应电机的方案，转子是个实心铁块。

电子涡轮增压是近年出现的一种新技术，其作用是给低速时汽车发动机增压，以减缓涡流迟滞现象并提高扭矩爆发力。下图是博格华纳开发的一款10kw@十万转的产品，采用的是2极24槽的永磁电机结构，因为工作环境温度较高，除了高速外，这类电机的设计还需 控制磁钢损耗和温升。

微型燃气轮机绝对是一种传奇产品，如下图所示大概一只铅笔长的机器能够迸发出50kw的功率，据说应用在汽车上能够减少95%的发动机体积，除了汽车外很多设备上都需要这种小型的引擎。它的工作原理如下图所示，需要一台永磁同步电机将燃烧产生的动能转化成电能。这台电机采用了2极6槽的结构。

高速空压机是目前最常见的一种大功率高速电机，转速在几万转左右，功率在100-700kw之间，一般采用磁悬浮轴承，通过电机驱动涡轮或者叶片给空气打压。高速直驱电机代替的原来低速电机+增速器的系统，具备结构紧凑、可靠性高的优点。这类电机常用的是表贴式永磁同步电机和感应电机两种类型，相关的厂家如下图所示。

下面这个案例的离心式风扇应该也算是高速空压机的一种，采用的是4极24槽的配合的SPM电机。采用永磁电机能提高效率并减小体积。

车用驱动电机仍然是当前最热的领域，乘用车主流的转速在16000rpm以内，更高速度的电机已经在陆续开发中。下图所示是某大小开发的25000rpm225kw的感应电机，外径290mm 叠高230mm，最大扭矩358Nm，采用的是水冷的结构。

为了提高功率密度，Integral Powertrain公司开发的 2万转450kw的永磁电机系统，最大扭矩900Nm，其重量仅有28kg，采用了先进的绕组喷油冷却，定子径向冷却、转子轴向冷却等一系列技术。和它配套的控制器是SiC平台。

无独有偶，AVL下一代2万转驱动电机产品也采用油冷永磁电机技术，电机功率达到230kw，相应的重量在45kg。

最后介绍另外一种皇冠上的电机，飞机用驱动电机。随着飞机电动化、半电动化的步伐加快，对高功率高速电机的需求也在上升。这将是另外一块热土，下图是一款300kw@35krpm的永磁电机，采用的是集中绕组永磁电机方案，电机重量在28.4kg。

更高功率的航空电机应用在混动飞机上，作为类似增程混动架构的核心，这类电机一般采用强迫风冷结构以利用高速气流，Honeywell的电机的功率可以达到1Mw，为了提高效率采用永磁电机多余感应电机。

令人怦然心动的高速电机应用举不胜举，大块处女地待我们开发，在看热闹的同时，我们还可以深入学习高速电机背后的核心技术。

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高速电机的关键技术

高速、超高速的应用前景广阔但同时给电机带来了极高的挑战，我们将这些问题合并同类项后发现有六大类。分别是散热、选型、转子结构、振动噪音、高效设计、轴承。

电机损耗随转速几何级数提高， 高损耗产生的热使得电机温升极速提升，为维持高速运行，必须设计散热良好的冷却方式。我们能看到常见的高速电机冷却方式为：

为了实现高功率密度、发热和冷却是高速电机必须要面对的重要问题。

永磁电机还是感应电机？还是开关磁阻等其它类型的电机，高速电机种类的选择一直是一个没有标准答案的问题。一般从功率密度和效率的角度出发，选择永磁电机比较有优势，而从可靠性出发选择感应电机和开关磁阻电机。但因为振动噪音较大，开关磁阻的应用较少。

下图是前人统计的不同转速和功率下高速电机的种类分配规律，将电机的"功率*转速值" 画成等高曲线，我们能够发现一些大致的脉络： "在超高的应用中感应电机居多，在高速的应用中感应电机和永磁电机共存"。只要遵循这条原则，我们就能在范围内根据需求选择电机类型。

高速电机的转子结构必须要克服的离心应力，一般在“高速”的范围内采用金属护套、转子本身结构（如Ipm的鱼骨架、IM的转子结构）等，而在“超高速”的范围内采用碳纤维缠绕，或者干脆将转子做成实心一体结构，如储能飞轮的电机。

大多数永磁高速电机采用的是转子护套的结构，此类设计也非常讲究，即要保护永磁体，又要防止护套失效。因此要尽量避免出现应力集中的情况，如下图所示，若磁钢不填满整个圆周，则会在护套和磁钢上都出现应力集中，这也就是为什么高速永磁电机都采用完整圆环磁钢的原因，如果做不成完整圆环也采用填充物将圆周填满。

振动噪音的问题是高速电机一大拦路虎。相比普通电机，即有转子动力学产生的振动问题，比如转子的临界转速问题，轴的偏摆振动问题。也有高频电磁力产生的啸叫问题，高速电机的电磁力频率更高，分布范围更广，极易激起定子系统共振。

为了避免临界转速振动，高速电机的转子设计非常关键，需要作严格的模态分析和测试。在设计时需要将长径比作为优化变量：转子设计过粗短，能够提高临界转速的上限，不易发生共振，但转子克服离心应力的难度会增加。反过来转子设计的细长，离心强度问题改善，但临界转速下移，出现共振概率提高，而且电磁功率也会随之下降。因此转子的设计需要反复平衡，是高速电机设计的重中之重。

电机损耗随转速几何级数提高， 高损耗使得电机效率快速衰减，为了实现高效，必须治理好各类损耗。以铁耗为例，为了降低涡流损耗，一般采用0.10mm、0.08mm的超薄硅钢片。超薄片能够降低涡流损耗但改善不了磁滞损耗，因此超薄片的铁耗磁滞损耗占大头，而普通片中涡流损耗占大头。改善磁滞损耗，可以从下面三条路子出发

除了铁耗之外，高速电机还要额外关注AC损耗，这些损耗是由于高频交变磁场渗透导致的，往往出现在磁钢外、金属护套、定子绕组表面。以治理磁钢的AC损耗为例，常用的方法是将磁钢分成多段，可以在径向分段也可以轴向分段。分段能够减小涡流环流面积，降低AC损耗，下图是分段之后涡流场的仿真，可知分段颗粒数越多AC损耗越小。除了分段之外还有更多的解决方案，限于篇幅不作展开。

高速电机中频率最高的磁场成分是由变频器的PWM载波导入的，因为脉冲调制的工作原理不可避免的出现高频电流谐波，这些电流又进一步产生出了高频磁场，高频磁场渗透入磁钢、定转子表面产生高频损耗。有些高速电机采用多电平驱动结构来改善PWM边频带谐波。

高速电机的轴承选择是关键的问题，一般有磁悬浮、空气轴承、滑动机械轴承、滚珠机械轴承四大类可以选型。磁悬浮轴承应用在较大功率的场合，空气轴承应用在功率和尺寸较小的场合。机械轴承往往需要油润滑，在很多无油应用中受限制。

高速电机关键问题和技术还有很多，需要同时治理好这些问题，相比普通电机门槛高，难度大。需要采用力-磁-热-NVH多物理场耦合的方式来设计，是新的挑战也是新的机遇。

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总结

本文介绍了高速电机的八大类应用和六种关键技术。总的来说高速电机是一种前景广泛，技术挑战极高的应用。有些技术看起来离我们很远，但从发展的角度我们能够看到“浅高速-中高速-超高速-超超高速”的脉络一直在演进。相比十年前，如今一两万的转电机已经司空见惯。因此高速化是“长期主义”，会缓慢的改变产业的格局。因此无论是寻找新领域机会，还是提升现有产品竞争力，高速化技术都是值得长期投资的领域。

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