高速電機(jī)通常是指轉(zhuǎn)速超過(guò)10000r/min的電機(jī)。它們因?yàn)檗D(zhuǎn)速高，體積遠(yuǎn)小于功率普通的電機(jī)，與原動(dòng)機(jī)相連，取消了傳統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)，高速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等原因，所以具有電機(jī)功率密度高，可以有效的節(jié)約材料，傳動(dòng)效率高，噪音小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

高速加工技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，它不僅可獲得更大的生產(chǎn)率，而且還可獲得很高的加工質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)成本，因而被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的先進(jìn)制造技術(shù)之一。 [1] 在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家，此項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天及模具行業(yè)。在近五年中，我國(guó)的該項(xiàng)技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。是實(shí)現(xiàn)高速切削的前提條件。高速機(jī)床與虛擬軸機(jī)床均為機(jī)床突破性的重大變革。無(wú)論是普通數(shù)控機(jī)床還是虛擬軸機(jī)床，實(shí)現(xiàn)高速化的關(guān)鍵部件仍是主軸單元。

高速變頻電機(jī)是指轉(zhuǎn)速超過(guò)10000r/min，一般都是幾萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至達(dá)到十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，電機(jī)輸入基波頻率范圍達(dá)到1000Hz甚至更高，極數(shù)基本為2級(jí)。

高速電機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、相對(duì)尺寸小、功率密度大、效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機(jī)、儲(chǔ)能飛輪、紡織、高速磨床等諸

多場(chǎng)合具有較多應(yīng)用，在電動(dòng)汽車、分布式發(fā)電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

在高速運(yùn)行情況下，電機(jī)的運(yùn)行特性與常規(guī)電機(jī)有很大的不同，對(duì)高速電機(jī)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試是至關(guān)重要的。

一高速電機(jī)測(cè)試內(nèi)容

01高速電機(jī)效率測(cè)試　　高速電機(jī)功率密度高，但是單位體積內(nèi)的損耗也大，尤其是轉(zhuǎn)子的風(fēng)磨損耗和渦流損耗是一般電機(jī)的數(shù)十倍。通過(guò)電機(jī)的輸入電量測(cè)量

(包括電壓，電流，功率、功率因數(shù)等)、輸出量測(cè)量(轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，功率等)、勵(lì)磁測(cè)量等得到高速電機(jī)的效率。通過(guò)高速電機(jī)效率測(cè)試，從而

分析高速電機(jī)的相關(guān)損耗，是高速電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善機(jī)械特性、提高散熱能力、減小損耗的關(guān)鍵。

02高速電機(jī)供電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)　　高速電機(jī)一般采用變頻器供電，對(duì)于供電系統(tǒng)的基波頻率、諧波分量十分敏感。變頻器輸出的電壓波形是PWM波，除了基波外，還包含

大量的整數(shù)倍載波頻率的高次諧波，會(huì)給高速電機(jī)帶來(lái)高頻附加損耗，所以對(duì)供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及可靠性監(jiān)測(cè)是十分必要的。

二高速電機(jī)測(cè)試關(guān)鍵要求　　1、為了準(zhǔn)確獲得電機(jī)的效率，必須要求確保電機(jī)輸入電功率與電機(jī)輸出軸功率嚴(yán)格同步測(cè)量。

2、必須滿足變頻器輸出PWM波的基波電壓、基波頻率、諧波分析等的測(cè)量需要。

3、傳感器及測(cè)試儀器組成的測(cè)試系統(tǒng)，整體精度必須達(dá)到0.2級(jí)。

4、由于高速電機(jī)的空載試驗(yàn)時(shí)功率因數(shù)低于0.2，所以測(cè)試系統(tǒng)的角差指標(biāo)，必須滿足低功率因數(shù)條件下功率測(cè)量精度的要求。

5、高速電機(jī)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)一般電磁環(huán)境復(fù)雜，測(cè)試系統(tǒng)必須擁有強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

三高速電機(jī)測(cè)試解決方案　　本測(cè)試系統(tǒng)采用銀河電氣研制的WP4000變頻功率分析儀，功率單元選用SP系列變頻功率傳感器測(cè)量電參數(shù)，采用DM4022頻率測(cè)試子

站采集扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)，SP變頻功率傳感器、DM4022通過(guò)光纖與WP4000變頻功率分析儀相連。高速電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成框圖，如圖

1所示。

WP4000變頻功率分析儀、SP變頻功率傳感器均采用前端數(shù)字化技術(shù)，完全避免了復(fù)雜電磁環(huán)境下傳輸環(huán)節(jié)本身的衰減和干擾，同時(shí)截

斷了傳感器的最重要的干擾傳播途徑，增強(qiáng)了傳感器和系統(tǒng)的電磁兼容性能。

WP4000變頻功率分析儀每個(gè)功率單元擁有獨(dú)立的同步源， 200KHz的采樣頻率同步采集所有參數(shù)，確保了電機(jī)輸入、輸出功率的同步

測(cè)量，擁有100KHz的有效帶寬，滿足PWM波的諧波分析需求。

SP系列變頻功率傳感器(B型)，電壓、電流準(zhǔn)確度為讀數(shù)的0.1%，在功率因數(shù)0.05~1范圍內(nèi)，保持功率準(zhǔn)確度為讀數(shù)的0.2%，滿足高

速電機(jī)測(cè)試的需求。

高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)10000r/min，具有以下主要特點(diǎn)：

1)電機(jī)功率密度高，同功率情況下，體積遠(yuǎn)小于同等功率普通電機(jī)，可有效節(jié)約原材料。

2)可與原動(dòng)機(jī)直接連接，取消傳統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)效率高，噪音小。

3)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。目前成功實(shí)現(xiàn)高速化的主要有感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。在確定高速電機(jī)結(jié)構(gòu)形式時(shí)，需要對(duì)其電磁特性和機(jī)械特性綜合對(duì)比研究。從功率密度和效率角度考慮，選擇順序?yàn)橛来烹姍C(jī)、感應(yīng)電機(jī)和磁阻電機(jī);從轉(zhuǎn)子機(jī)械特性方面來(lái)說(shuō)，選擇順序?yàn)榇抛桦姍C(jī)、感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)。目前中小功率高速電機(jī)采用永磁電機(jī)較多，中大功率高速電機(jī)采用感應(yīng)電機(jī)較多。

高速電機(jī)主要類型及其特點(diǎn)

目前應(yīng)用的高速電機(jī)類型主要有感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，每種類型的電機(jī)又有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。高速感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，能在高速條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在高速領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。永磁電機(jī)具有效率和功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍大的優(yōu)點(diǎn)，在高速應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛;相對(duì)于外永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)子半徑小、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，成為永磁高速電機(jī)的首選。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉，耐高溫，在高速領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。表1是對(duì)上述三種主要類型高速電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的總結(jié)。

2.高速電機(jī)設(shè)計(jì)制造需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題

高速電機(jī)在設(shè)計(jì)方面與普通電機(jī)存在較大差別，設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度，軸承適應(yīng)性，損耗散熱等方面的特殊要求。高速電機(jī)設(shè)計(jì)和發(fā)展方面主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

一是軸承方面，滾球軸承在高強(qiáng)度轉(zhuǎn)速下，可能會(huì)發(fā)生漏油問(wèn)題，且負(fù)載能力有限，價(jià)格昂貴。

二是在電機(jī)的設(shè)計(jì)方面需要多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行支持，因此，需要結(jié)合不同種類的外界因素進(jìn)行電機(jī)技術(shù)研究。

三是在永磁體方面，永磁體的強(qiáng)度和耐溫能力都相對(duì)較差，對(duì)高速永磁電機(jī)的發(fā)展極為不利。四是疊片轉(zhuǎn)子所能承受的離心力很小，渦流損耗卻較大，需要更深入的探索研究。五是在定、轉(zhuǎn)子損耗，以及相關(guān)計(jì)算方法方面，需要有所提升。高速電機(jī)在轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、電磁設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與溫升計(jì)算以及高速軸承的研制方面，存在與常規(guī)電機(jī)不同特性，所以高速電機(jī)的設(shè)計(jì)是一個(gè)集電磁場(chǎng)→轉(zhuǎn)子強(qiáng)度→轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)過(guò)程。

由于高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于10000 r /min，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受巨大離心力作用，需要采用特殊的高強(qiáng)度疊片或采用實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。對(duì)于永磁電機(jī)來(lái)說(shuō)，因燒結(jié)而成的永磁材料不能承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，必須對(duì)永磁體采取保護(hù)措施;同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子與氣隙高速摩擦，在轉(zhuǎn)子表面造成的摩擦損耗遠(yuǎn)大于常速電機(jī)，需要考慮轉(zhuǎn)子散熱問(wèn)題。為保證轉(zhuǎn)子有足夠的強(qiáng)度，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為細(xì)長(zhǎng)型。與常速電機(jī)相比，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)接近臨界轉(zhuǎn)速的可能性增加，為避免發(fā)生彎曲共振，必須根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整改善。