高速电机的八大类应用

高速电机具有效率高、比功率较大、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点在先进工业国家，高速电机已广泛应用于航空、航天及模具行业我国高速电机行业始于上世纪90年代，产品由低端向高端不断发展，市场规模也不断扩大。

　　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10 000 r/min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50 m/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映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，这种划分既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：　　? 案例一是小家电里非常著名的戴森电吹风电机，这个电机是110 kr/min，1 600 W，它的根号下功率和转速的乘积为1.39×105,在上侧的图中，在高速/超高速分界线以下，属于高速电机;　　?案例二为Integral Powertrain公司开发的车用驱动电机，20 kr/min,450 kW，它的根号下功率和转速的乘积为4.24×105，这个乘积越大代表了高速程度越大，难度更高;　　?案例三是Honeywell的飞机用驱动电机，20 kr/min,1 000 kW，它的根号下功率和转速的乘积为6.3×105，属于超高速电机的范围，采用的技术也更加先进。

　　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　　高速电机的应用场合　　高速电机的应用正在以爆炸式的方式在扩展，按高速程度来排序，有如下这些应用。

　　01电动工具　　下图是westwind公司的电转产品，200 W，300 kr/min，采用无铁心的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　　?　　02分子泵　　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32 kr/min,500 W，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　　?　　03分离储能飞轮　　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30 kW转速为50 kr/min，采用感应电机的方案，转子是个实心铁块　　?　　04涡轮增压　　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10 kW,100 kr/min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　　?　　05微型燃气轮机　　微型燃气轮机绝对是一种传奇产品，大概一只铅笔长的机器能够迸发出50 kW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　　?　　06高速空压机　　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100-700 kW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　　?　　07车用驱动电机　　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16 000 r/min以内，更高速度的电机已经在陆续开发中下图所示是某公司开发的25 000 r/min,225 kW的感应电机，外径290 mm 叠高230 mm，最大扭矩358 N·m，采用的是水冷的结构。

　　?　　为了提高功率密度，Integral Powertrain公司开发的 20 000 r/min，450 kW的永磁电机系统，最大扭矩900 N·m，其重量仅有28 kg，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20 000 r/min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45 kg　　?　　08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。

下图是一款300 kW，35 kr/min的永磁电机，采用的是集中绕组永磁电机方案，电机重量在28.4 kg　　?　　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1 MW，为了提高效率采用永磁电机多于感应电机。

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