简要概述了用作高速电机和发电机的电机、它们的优势和一些应用领域。 此外，还解释了开发和制造高速电机和发电机的挑战。
介绍
各种要求实际上导致对高速电机的需求不断增长。首先，对提高功率密度的持续需求。由于电机的转速和轴功率之间存在准线性关系，因此提高额定转速是提高功率密度和效率的有效方法。因此，这种方法利用了在不改变机器尺寸的情况下增加轴功率的优势。另一方面，可以在更小的体积中提供相同的性能。例如，后者在机床应用领域至关重要。因此，主轴或整个机床变得更小，重量减轻，动态行为得到增强。该行业的另一点是机床完成特定作所需的周期时间。工具移动和旋转的速度越快，它就能越快地完成任务，而没有考虑到高速切削作依赖于最高速度来有效地加工各个零件的时间。
高速电机的另一个有趣的运行领域是使用标准齿轮箱将传统电网频率 （50/60 Hz） 驱动电机的转速转换为更高速度水平的应用。用由高速电机和整流器组成的速度控制驱动器替换该齿轮箱和相关的传统电机，可以提高整体效率并显着减少维护。
压缩机行业就是一个例子，高效、无油运行和无排放使高速电动机成为最环保的压缩机驱动装置。在零排放应用中，带有高速飞轮的储能系统不仅利用高速发电机。因此，可以避免产生不需要的排放的化石发电机，并显著降低维护成本。低温应用实际上经历了一场非常相似的驱动技术革命。直接驱动的电机元件取代了一组齿轮箱和一个 50/60Hz 标准电机。可以提高效率，大大缩小了所需的空间，并降低了维护成本。因此，从财务和生态的角度来看，能量回收系统变得越来越有趣。因此，高速电机元件在一定程度上为绿色能源应用的持续发展做出了贡献。
挑战
高速电机的上述优势只能通过使用高质量的电机元件来实现。原因是由于高转速，旋转电机部件（转子）上的离心力可能非常高，导致材料达到机械应力电阻率的边缘。电机元件的故障可能导致影响环境的碰撞，或者至少损坏内置电机的主轴。为了防止这种情况，在具有挑战性的开发过程中，需要计算各种物理方面，同时考虑电磁、热、机械应力和结构动力学方面。应用的计算方法需要与长期的经验相结合，以扩展实际作限制，同时将安全放在首位。此外，需要了解整流器和高速电机的相互作用，因为整流器对机器的发热、噪音、堵塞和功耗有很深的影响。特别是各种转换器系统与高速电机元件的相互作用需要非常具体的知识和经验。因此，上述应用的测试对于成功至关重要。它们需要电力电子和高速电机专家之间的密切关系。此外，支持性能测试的基础设施非常复杂，通常在市场上无法获得。很多时候，相关成本远远超过新电机元件产品线的整个开发过程中产生的成本。
逆变器
典型的逆变器基于脉冲宽调制方法工作，其中电压或电流的连续切换控制输出波形。由于需要更快的高速电机，开关频率也会增加（在现代逆变器中，使用 IGBT）。尽管噪声和效率随着脉冲数的增加而提高，但逆变器也带来了一些缺点，特别是由于快速开关瞬变，这可以理解为杂散损耗的重要来源。由开关模式逆变器引起的额外时间谐波对气隙磁通量分布有负面影响。这些谐波会在电机元件（尤其是转子元件）中产生额外的涡流损耗，从而导致更高的温度并可能降低机械性能。开关频率对高速电机还有另一个影响，即对绝缘的影响，绝缘受到脉冲波前的重复和陡峭的严重应力。使用 IGBT 时，在不到 0.1 μs 的时间内，通常为 0 – 650 V 的高电压上升率导致大约 10,000 V/ııs。这一事实对电机绝缘产生了不利影响。这些陡峭的上升和下降脉冲导致电机内的电压分布不均匀，尤其是在开关转换期间。如果不深入了解电机绝缘系统和逆变器本身，可能会发生电机绝缘劣化和随后的故障。在这种情况下，局部放电效应和转子过热是众所周知的故障来源。后者会导致由于相应树脂碳纤维化合物（同步电机）中的热机械应力而产生不必要的碳纤维爆裂。
结论
异步和同步高速电机具有多种优势，例如减少更高功率的安装空间和不必要的变速箱。这些优势适用于多个领域，并广泛用于机床、压缩机、低温和能源生产等行业。设计和生产这些异步和同步高速电机是一项令人兴奋的任务，在开发过程中使用大多数现代计算方法与广泛的经验和专业知识一样重要，以安全的方式扩展实际作限制。不仅需要了解高速电机，还需要深入了解逆变器技术、局部放电现象以及所谓的杂散或额外损耗。
