哪些因素限制着高速电机的发展呢

   高速电机是一种在许多工业应用中广泛使用的电动机。随着电机技术和电力电子技术的飞速发展，高速越来越被人们重视，许多高速设备希望去掉变速箱，直接用高速电机来驱动（即所谓的"直驱"），以简化系统、降低成本、提高效率。从电机本身来讲，也希望通过提高转速减小体积重量以降低成本。因此，近年来高速电机的需求越来越大

   可是高速电机的发展还是受到很多方面的限制，而具体的限制都有哪些方面呢？

   1. 轴承的限制。旋转电机离不开轴承。传统轴承除了其承载能力外，还有一个重要的制约因素，这就是它的dn值（事上这个值代表的是轴承齿轮的线速度）。所谓的dn值就是轴承齿轮。直径与速度的乘积。一般来说，轴承的dn值不能超过2*10^6. 如果电机转速过高而功率又比较大，则难免受此值的限制，普通轴承无法满足要求。解决这一问题，一方面轴承行业需要改进技术，另一方面也需要另辟蹊径，采用一些新技术，如空气悬浮轴承、磁悬浮轴承等。

   2. 转子结构的限制。转子高速旋转时，转子上的零部件必然会受到强大离心力的作用，还有气隙磁场径向和切向电磁力的作用，当转速高到一定程度，则相关的结构强度就会受到制约，特别是转子绕组端部、磁钢的紧固结构、槽根部、槽契、磁极紧固结构、转子铸铝结构或铜条焊接、换向器等零部件和结构都会受到制约，传统的设计和紧固方法已不能满足要求，必须采取特殊的设计和工艺来保证。解决这一问题的新技术包括高强度不锈钢套筒、磁钢嵌入式设计技术、高强度玻璃纤维抱箍技术、高强度碳纤维抱箍技术，新型焊接技术、高强度硅钢材料技术、实心转子技术等。

   3. 转子动力学的局限性。一般情况下，电机的转速会远远低于转子结构的一阶临界转速，这被称为“刚性转子”。转子二阶以上的振型和变形不需要考虑，但高速电机的转速可能超过一阶甚至二阶临界转速，称为柔性转子。这种转子转动起来像面条一样柔软。这就要求对转子进行精确的动力学分析和计算，并采取相应的抑制措施。需要的技术包括转子动力学精确仿真计算、柔性转子平衡技术、转子刚度平衡技术、轴钢材料技术等。

   4. 加热和冷却的限制。高速电机的突出优点是体积小、重量轻。但是，体积的缩小必然导致散热面积的减少，电机的效率也不会有太大的差别。这意味着，损失相同功率的电动机（即发电机发热量）的差别不大，但散热面积却相差很大，因此高速电机的冷却和散热问题就变得十分突出。另一方面，从电机发热的角度来看，由于电机转速极高，频率通常也很高，而铁耗与频率的1.3～1.5次方成正比，因此铁耗的增加会非常突出。另外，极高的转速使得磨煤机的损耗和杂散损耗也会急剧恶化。这位老师曾见过在高速运转时，由于空气摩擦力不足，转子表面被烧毁变色的案例。一方面是散热恶化，另一方面是持续加热。此外，转子紧固结构需要箍或不锈钢套管。不锈钢套管是金属良导体，会增加转子的杂散损耗。无论箍材料，玻璃纤维和碳纤维都是热的不良导体。各种因素的叠加，使得高速电机的温升成为一个非常棘手的问题。解决方案包括精确的电磁和热计算技术、先进的冷却技术（如蒸发冷却技术等）和冷却结构、先进的材料技术等。

   5. 振动和噪声的限制。振动和噪声是电机的重要技术指标。由于高速电机的转速很高，励磁频率很高。另外，电机细长、重量轻，阻尼比小，振动形态丰富，容易产生各种频率的振动。振动是噪声的来源。如果振动大，结构噪声必然大，而且由于转速极高，很容易产生较大的空气噪声。在测试过程中，我们经常会遇到振动和噪音太大，在达到规定的速度之前无法继续测试。因此，减振降噪是高速电机必须解决的问题。它们也特别难以解决，需要在电磁设计、结构设计等方面综合考虑。

   6. 结构尺寸的限制。从理论上讲，高速电机尺寸较小是其最大的优势，但与低速电机相比，同功率的电机如果电压也相同，那么电流就会相同或相近，所用的引出线截面并不会减小，在相对低速的电机中，由于电机体积较大，有足够大的空间布置引出线，电缆引出往往不存在任何问题，而高速电机内部空间尺寸狭小，特别是绕组端部，往往没有空间容纳截面较大的引出电缆，因此高速电机的电缆引出就成了一个大问题，必须专门予以考虑。为此，它甚至还必须特别放大，这就大大降低了高速电机体积小的优点。

   7. 控制的限制。高速电机通常由变频器控制。由于极高的速度，基频是非常高的。电力电子器件的开关频率是有限的，过高的开关频率会引起器件的严重发热，降低变频器的效率。在一定的开关频率下，调制较高的基频必然会降低调制比，增加谐波，并恶化波形，进一步恶化电机的发热和效率，从而制约转速的进一步提高。通常配备高速电机的变频器需要特殊的设计。

   8. 处理的限制。高速电机的尺寸匹配精度高，形位公差和粗糙度要求高，需要精密的加工设备和工艺来保证。此外，许多特殊设计的高速电机往往依赖于特殊工艺技术，如特殊焊接工艺（离子束焊接、电子束焊接、搅拌摩擦焊等）、碳纤维箍缩工艺、精密薄壁零件加工工艺、高速动平衡工艺等。

   9. 物质的限制。如前所述，高速电机将涉及许多新材料的应用，如高强度低损耗导磁材料、耐高温稀土永磁材料、高强度玻璃纤维和碳纤维材料、耐高dv/dt绝缘材料等。

  10.电磁兼容方面的限制。高速电机基波频率已很高，加之高次谐波较大，使得电磁发射能量较大，不仅传导发射大，高频辐射也成为不得不重点考虑的因素，否则会对周围电器设备造成电磁干扰; 又由于高速电机转速极高，若对其精确控制不仅需要分辨率极高的传感器，而且控制信号的频率会更高，控制器动态性能要求更高，这势必造成控制器的敏感性高，抗干扰能力变差。因此高速电机的电磁兼容性能也是一个不容忽视的问题。