淺談高速電機的發展與應用

陳義明

【摘 要】隨著科學技術的飛躍發展，越來越多的機械制造裝備都在不斷地向高速、高精、高效、高智能化發展，高速電機產品也不例外。目前國內外對高速電機、高速電主軸的應用已日益增多。我國高速電機企業需要抓住良好的發展機遇，加強自主創新，提高技術水平和產業化規模，積極開拓新興市場，以應對未來的市場競爭。高速電機由于具有轉速高、傳動效率高以及動態響應快的特點，獲得非常廣泛的應用。本文主要是針對高速電機的特點和發展作了簡要介紹，并研究了高速電機在各個領域中的應用，以及產生的顯著優勢。

【關鍵詞】高速電機 發展 應用

1高速電機的特點和發展

在過去的幾十年中，基于高速電機的驅動器的研究和發展得到了快速增長。這些驅動器的一個共同優點是對一個給定功率轉換級別的系統可以減輕系統重量，這對于移動式的應用是特別可取的，任何重量的減輕可以減少燃料的消耗量和廢氣的排放量，這一種先進的高速技術是未來交通運輸系統發展的趨勢。同時得益于電氣電子開關設備、拓撲轉換器、控制方法和軟、硬磁性材料的快速發展，使高速電機可以向更高的工作頻率發展，并能夠承受更高的機械應力和表現出更低的交流損耗，從而允許更高的轉子速度和更高的功率密度的發展。采用高速電機的另一個優點是可以直接驅動負載，消除中間齒輪傳動，提高系統的可靠性。因此，在很多研究領域都是以高速電機驅動器為主導的研究對象，由于高速電機在技術上的改進，使其對許多領域的應用產生了重大影響。

2高速電機的應用

2.1 高速電機作為電動引擎

現在最熱門的汽車是高性能電機和燃油發動機組成的混合動力汽車，以此來提高燃油效率和減少排放。混合動力汽車可以從整個發動機系統中回收余熱，而不僅僅是從廢氣流中獲取能量來提高發動機的燃油效率。這是通過一個有機的蘭金循環系統進行，即熱循環的工作流體，用于驅動高速渦輪機和發電機來回收能量。已經證明燃料的使用效率可以提升12%以上。另一方面相對于傳統的燃油發動機，比如典型的康明斯發動機，高速電機引擎的能量速度節點范圍很廣，可以從2kW/220000r/min轎車中的應用到高達150kW/35000r/min的發電機，使電動引擎的應用范圍非常廣闊。

2.2飛輪儲能系統

飛輪儲能系統是在旋轉的飛輪中機械地儲存能量。電能的使用是通過一個旋轉飛輪的電機，將電能轉換為機械能。而為了恢復能量，同樣的電機被用來減慢飛輪的速度，將機械能轉換為電能。傳統的飛輪設計具有較大的直徑，旋轉速度緩慢，且具有較低的功耗和能量密度。現代的飛輪設計使其具有非常高的旋轉速度，這種飛輪可以實現比鎳氫電池更高的功率密度，盡管其具有較低的能量密度，但對于能量存儲需要短時間高峰值功率轉換的應用。

2.3高速主軸的應用

機床行業也帶動了高速電機的發展。傳統的機床高速主軸由于采用了低成本的皮帶傳動，限制了其最高速度的發展。現代高速加工技術對轉速、速度控制水平、低振動水平等需求提出了更高的要求，促進了高速電機主軸的應用發展。高速電機主軸的功率和速度范圍非常廣，轉速可以從9000到180000r/min，相應的功率范圍約從24kW下降到1kW。不同的銑削程序所運用的最大轉速取決于被加工材料的類型和相關的工藝要求，而對于超精密加工的磨削應用，機床轉速可以高達成百上千轉每分鐘。例如由英國西風空氣軸承生產的鉆床，在用于印刷電路板時，其主軸轉速可以高達300000r/min。

2.4渦輪分子泵的應用

渦輪分子泵性能的提升，需要更高的旋轉速度，因而應用了高速電機。目前，在低功率水平（幾百瓦）下，使渦輪分子泵的旋轉速度達到100000r/min是這個應用的發展目標。渦輪分子泵用于獲取和保持高真空環境，無氣體存儲和解吸效應。渦輪分子泵的工作原理是利用一個移動的固體表面與氣體分子反復碰撞，使氣體分子獲取所需運動方向的動能。在渦輪分子泵中，一個快速旋轉的渦輪轉子從泵的入口向排氣口快速旋轉運動碰撞氣體分子，使氣體分子排出，從而創造或維持真空環境。渦輪分子泵可以用來獲得很高的真空環境，這種類型的負載完全滿足高速電機的性能特點。

2.5氣體壓縮機的應用

在化工、石油等工業中，都需要進行氣體壓縮，主要用于收集、傳輸和處理氣體。燃氣發動機和燃氣輪機是傳統的壓縮機驅動器，盡管燃氣驅動器對燃氣公司的使用非常方便，但由于環境保護以及安全意識的增強使它們的應用越來越難，進而使用電動馬達驅動壓縮機，以減少環境危害。隨著高速電機的發展，與磁力軸承配合的電動高速驅動器可以徹底消除變速箱和整個油潤滑系統，從而增強了穩定性，提高了工作效率，并降低了操作和維護成本。

3結語

隨著科學技術的發展，高速電機的性能會更加優越，應用前景更加廣闊。目前國外對高速電機及相關技術的研究起步比較早，已取得了很多的研究應用成果。

參考文獻：

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