高速电机的特征是什么？有哪些测试方案？

高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。它们因为转速高，体积远小于功率普通的电机，与原动机相连，取消了传统的减速机构，高速电机转动惯量小等原因，所以具有电机功率密度高，可以有效的节约材料，传动效率高，噪音小，动态响应快等优点。

高速加工技术越来越受到人们的关注，它不仅可获得更大的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因而被认为是21世纪最有发展前途的先进制造技术之一。 [1] 在先进工业国家，此项技术已广泛应用于航空、航天及模具行业。在近五年中，我国的该项技术也取得了长足的进步。是实现高速切削的前提条件。高速机床与虚拟轴机床均为机床突破性的重大变革。无论是普通数控机床还是虚拟轴机床，实现高速化的关键部件仍是主轴单元。

高速变频电机是指转速超过10000r/min，一般都是几万转甚至达到十几万转，电机输入基波频率范围达到1000Hz甚至更高，极数基本为2级。

高速电机具有转速高、相对尺寸小、功率密度大、效率高等显著优点，在空调或冰箱的离心式压缩机、储能飞轮、纺织、高速磨床等诸

多场合具有较多应用，在电动汽车、分布式发电系统中具有广阔的应用前景。

在高速运行情况下，电机的运行特性与常规电机有很大的不同，对高速电机进行相关测试是至关重要的。

一高速电机测试内容

01高速电机效率测试　　高速电机功率密度高，但是单位体积内的损耗也大，尤其是转子的风磨损耗和涡流损耗是一般电机的数十倍。通过电机的输入电量测量

(包括电压，电流，功率、功率因数等)、输出量测量(转速，转矩，功率等)、励磁测量等得到高速电机的效率。通过高速电机效率测试，从而

分析高速电机的相关损耗，是高速电机的结构设计、改善机械特性、提高散热能力、减小损耗的关键。

02高速电机供电系统监测　　高速电机一般采用变频器供电，对于供电系统的基波频率、谐波分量十分敏感。变频器输出的电压波形是PWM波，除了基波外，还包含

大量的整数倍载波频率的高次谐波，会给高速电机带来高频附加损耗，所以对供电系统运行状态及可靠性监测是十分必要的。

二高速电机测试关键要求　　1、为了准确获得电机的效率，必须要求确保电机输入电功率与电机输出轴功率严格同步测量。

2、必须满足变频器输出PWM波的基波电压、基波频率、谐波分析等的测量需要。

3、传感器及测试仪器组成的测试系统，整体精度必须达到0.2级。

4、由于高速电机的空载试验时功率因数低于0.2，所以测试系统的角差指标，必须满足低功率因数条件下功率测量精度的要求。

5、高速电机的测试现场一般电磁环境复杂，测试系统必须拥有强的抗电磁干扰能力。

三高速电机测试解决方案　　本测试系统采用银河电气研制的WP4000变频功率分析仪，功率单元选用SP系列变频功率传感器测量电参数，采用DM4022频率测试子

站采集扭矩转速传感器的信号，SP变频功率传感器、DM4022通过光纤与WP4000变频功率分析仪相连。高速电机测试系统构成框图，如图

1所示。

WP4000变频功率分析仪、SP变频功率传感器均采用前端数字化技术，完全避免了复杂电磁环境下传输环节本身的衰减和干扰，同时截

断了传感器的最重要的干扰传播途径，增强了传感器和系统的电磁兼容性能。

WP4000变频功率分析仪每个功率单元拥有独立的同步源， 200KHz的采样频率同步采集所有参数，确保了电机输入、输出功率的同步

测量，拥有100KHz的有效带宽，满足PWM波的谐波分析需求。

SP系列变频功率传感器(B型)，电压、电流准确度为读数的0.1%，在功率因数0.05~1范围内，保持功率准确度为读数的0.2%，满足高

速电机测试的需求。

高速电机的转速超过10000r/min，具有以下主要特点：

1)电机功率密度高，同功率情况下，体积远小于同等功率普通电机，可有效节约原材料。

2)可与原动机直接连接，取消传统的减速机构，传动效率高，噪音小。

3)转动惯量小，动态响应快。目前成功实现高速化的主要有感应电机、永磁电机和开关磁阻电机。在确定高速电机结构形式时，需要对其电磁特性和机械特性综合对比研究。从功率密度和效率角度考虑，选择顺序为永磁电机、感应电机和磁阻电机;从转子机械特性方面来说，选择顺序为磁阻电机、感应电机和永磁电机。目前中小功率高速电机采用永磁电机较多，中大功率高速电机采用感应电机较多。

高速电机主要类型及其特点

目前应用的高速电机类型主要有感应电机、永磁电机和开关磁阻电机，每种类型的电机又有不同的拓扑结构。高速感应电机转子结构简单、转动惯量低，能在高速条件下长时间运行，在高速领域应用比较广泛。永磁电机具有效率和功率因数高，转速调节范围大的优点，在高速应用领域应用广泛;相对于外永磁转子电机，内转子永磁电机具有转子半径小、可靠性强的优点，成为永磁高速电机的首选。开关磁阻电机结构简单、坚固耐用、成本低廉，耐高温，在高速领域应用广泛。表1是对上述三种主要类型高速电机优缺点的总结。

2.高速电机设计制造需要解决的重点问题

高速电机在设计方面与普通电机存在较大差别，设计时重点考虑电机高速运转对转子强度，轴承适应性，损耗散热等方面的特殊要求。高速电机设计和发展方面主要存在以下几点问题：

一是轴承方面，滚球轴承在高强度转速下，可能会发生漏油问题，且负载能力有限，价格昂贵。

二是在电机的设计方面需要多学科知识进行支持，因此，需要结合不同种类的外界因素进行电机技术研究。

三是在永磁体方面，永磁体的强度和耐温能力都相对较差，对高速永磁电机的发展极为不利。四是叠片转子所能承受的离心力很小，涡流损耗却较大，需要更深入的探索研究。五是在定、转子损耗，以及相关计算方法方面，需要有所提升。高速电机在转子强度、转子系统动力学、电磁设计、冷却系统设计与温升计算以及高速轴承的研制方面，存在与常规电机不同特性，所以高速电机的设计是一个集电磁场→转子强度→转子动力学→流体场与温度场等多物理场，多次迭代的综合设计过程。

由于高速电机的转子速度高于10000 r /min，电机旋转时，常规叠片转子难以承受巨大离心力作用，需要采用特殊的高强度叠片或采用实心转子结构。对于永磁电机来说，因烧结而成的永磁材料不能承受转子高速旋转产生的拉应力，必须对永磁体采取保护措施;同时电机转子与气隙高速摩擦，在转子表面造成的摩擦损耗远大于常速电机，需要考虑转子散热问题。为保证转子有足够的强度，高速电机转子设计为细长型。与常速电机相比，高速电机转子系统接近临界转速的可能性增加，为避免发生弯曲共振，必须根据转子系统的临界转速，对转子强度进行相应调整改善。