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网】引言
能源是人类进化和社会发展过程重要的因素，人类利用能源需要实现能量形式的转化，如把热能转化为机械能，机械能转化为电能，电能转化为机械能等。机械旋转是能量转化的重要手段，通常转速越高能量转化的效率越高，转化机械的能量密度越大，因而高速旋转机械应运而生。
高速旋转机械大体可分为三类：高速电动机械、高速发电机械、高速非电机械。1）高速电动机械是指由高速电机驱动的机械，实现电能到机械能再到更具体的能量形式的转化，如鼓风机、jdb电子游戏平台网站
等；2）高速发电机械是指由热能、水能、风能能转化为机械旋转带动高速发电机发电的机械，实现能源到机械能再到电能的转换，如汽轮发电机、燃气轮发电机等；3）高速非电机械是指不经过电动机或发电机，直接以机械能作为中间载体的能量转换机械，例如由膨胀机直接带动jdb电子游戏平台网站
做功。
高速旋转机械由高速轴承、高速动力源、高速能量转化装置三个要素部分组成。高速旋转对轴承带来了巨大挑战，高速带来轴承线速度上升，对于接触轴承来讲机械摩擦引起的磨损和发热都快速增加，润滑代价增加，寿命极大降低，甚至根本无法运行，磁悬浮轴承从根本上解决了高速带来的一系列支撑难题、无机械摩擦引起的磨损和发热问题，不需要润滑，可以说磁悬浮轴承为高速旋转机械打开了一扇大门。
在第1）类高速电动机械中，高速动力源是高速电机，高速能量转化是流体机械等转化装置；第2）类高速发电机械是第1）类高速电动机械的逆操作；第3）类旋转机械则是前两类的结合，中间省略了发电和电动机的转化。一个典型的高速旋转机械可以进一步定义其组成包括：高速轴承、高速电动机/发电机、高速能量转化装置，其中高速电动机/发电机可统称为高速电机，下面分别进行论述。
1 高速轴承
轴承是旋转机械中支承转子的关键部件，常规的轴承包括滚动轴承、滑动轴承、悬浮轴承，滚动轴承和滑动轴承都属于接触式轴承，虽然定转子可能通过油膜不直接接触，但本质上油膜也不能承受过高的线速度，因而极大地限制了高速应用。悬浮轴承真正意义上不产生机械接触，因而是高速轴承的主要解决方案，悬浮轴承包括磁悬浮轴承和空气悬浮轴承，空气悬浮轴承又分为静压轴承和动压轴承，由于空气承载力较小，因而只限制在小功率转子较轻的应用上；磁悬浮轴承有比非常宽的适应范围，承载能力强，对工作介质没有特殊，真空中也可以运行，因而是最适合高速旋转机械的轴承。
磁悬浮轴承技术萌芽于20世纪三十年代，德国和美国相继有人成功的进行了主动磁悬浮系统的设计和实现，欧美发达国家在六七十年代开始工程应用，最早以NASA等研究机构为主，之后欧洲较多学者和工程人员开始研究，尤其以瑞士、德国、法国、芬兰等较为集中。中国的系统性研究大概开始于20世纪90年代，以清华大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学为代表。磁悬浮技术的产业化始于欧洲，法国S2M公司1976年成立，开始将研究转化为工业应用，中国的产业化则整整晚了30年，代表性的企业有：飞旋科技成立于2006年，是国内首家从事磁悬浮轴承产品研发和推广的专业公司；磁谷科技是第二家主要从事磁悬浮轴承技术研究、开发和产业化的公司[1]。
磁悬浮轴承是利用磁力使转子悬浮于定子中心，从而获得无接触支承的一种电磁装置。英国数学家Earnshaw从理论上证明了单纯依靠永磁不能实现静态下的全悬浮，因而采用主动控制方法的主动磁悬浮轴承(active magnetic bearing)是工业领域应用的主要悬浮形式[2]。主动磁悬浮轴承由位移传感器、轴承本体、控制器和辅助轴承等部分组成，轴承本体又分为两组径向轴承和一组轴向轴承，如图1所示。主动磁悬浮轴承本质上是一套带有闭环控制的电磁装置，传感器采集转子的位移，控制器进行控制算法实现，输出控制电流控制轴承本体产生电磁场悬浮转子。辅助轴承的作用是在转子未悬浮状态提供备用支承，或在紧急情况下提供保护。
磁悬浮轴承定转子不接触，不需要润滑油或润滑脂，没有机械摩擦，可以支承转子达到很高的线速度，打破了常规轴承的诸多限制，尤其在高速应用的场合，拥有无可比拟的优势，是一种革命性的轴承。
2 高速电机
高速电机在工业领域有广泛的应用前景，既可以以电动机的方式驱动jdb电子游戏平台网站
等负载，也可以作为发电机配合汽轮机、燃气轮机等工作。由于直连负载或原动机，取消了变速箱和油润滑系统，体积重量都大大减小。永磁电机相比电励磁同步电机和异步电机，转子没有导条，不需要采用硅钢片，因此具有极为简单和结实的转子结构，非常适合高速运行。同时永磁电机转子损耗非常小，具有天然的高效率优势，因此目前国内外的主流大功率高速电机多采用永磁电机方案[3]。
高速电机按照功率划分，可以分为以下四个等级：1）小功率高速电机：功率在数十瓦至数千瓦范围，转速一般超过10万转/分钟；2）中小功率高速电机：功率为数十千瓦，转速范围一般在5～10万转/分钟；3）中等功率高速电机：功率为数百千瓦，转速范围一般在1～6万转/分钟；4）大功率高速电机：功率为数兆瓦，转速范围一般在0.6～2万转/分钟。第1）、2）类高速电机主要可以用在惯性导航装置、牙科磨头、离心机、雕刻机、微型或小型电辅助涡轮增压器、制冷jdb电子游戏平台网站
、微型或小型燃气轮发电机系统、高速电主轴等。这两类的高速电机，国内外已取得了不少成果，许多相关技术基本成熟，其应用也日益广泛。第3）类高速电机可以应用在大型高速鼓风机、大型空气jdb电子游戏平台网站
和制冷jdb电子游戏平台网站
、大型储能装置等，这一类高速电机近10年在工业领域得到了快速发展，涌现出一批国内外企业，鼓风机、制冷jdb电子游戏平台网站
等都大量装机。第4）类高速电机的研究和应用在国际上很少，所见的报道仅有美国麻省理工学院研制的1.5万r/min、5MW高速感应发电机，以及美国Calnetix公司研制的1.9～2.25万r/min、2兆瓦高速永磁发电机。
高速电机取消了变速箱，直接驱动负载，没有传动损失，是一种革命性的电机。
3 高速能量转化装置
高速能量转化装置，是一种高速旋转机械，是“高速”和“旋转”两个概念的复合，以高速旋转为主要特征点，典型应用包括汽轮机、燃气轮机、jdb电子游戏平台网站
、风机、泵、水轮机、机床、航空发动机等广泛应用于电力、石化、冶金、环保、航空航天等领域。除机床、储能飞轮等领域外，大多属于流体机械。
流体机械是以流体为对象，进行能量转换的机械装置，按照工作原理、结构可以大体分为容积式和动力式两种。动力式流体机械通过叶片的高速旋转和流体之间传递能量，也称为透平机械。以往，高速的获得通过齿轮箱实现，随着磁悬浮轴承技术和高速电机技术的发展，高速直驱成为透平机械的首选解决方案。磁悬浮高速电机在处理空气的鼓风机、空压机，处理工艺气体的工艺jdb电子游戏平台网站
，处理冷媒的制冷jdb电子游戏平台网站
等领域都获得了大量成功的应用。
三元流技术是我国科学家吴仲华首先提出的基础理论[4]，目前已经成为国际流体机械高效气动设计的通用性技术，通过把叶轮内部三元立体空间无限地分割，对叶轮流道各工作点进行分析，建立完整的流动数学模型，效率明显提高，通常叶轮效率可以高达95%以上。
通常速度越高，能量转换装置的体积越小，能量密度越大，因而高速化是能量转换装置的发展趋势。
4 磁悬浮高速旋转机械及其市场分析
采用磁悬浮轴承支承，高速电机直接驱动高速能量转化装置工作，就产生了高速旋转机械这一革命性的机械形式。磁悬浮高速旋转机械结合了磁悬浮轴承无摩擦、无需润滑的优点，高速电机传动效率高的优点，以及高速能量转化装置转化效率高的优点于一身，体积远小于传统机械，节约制造材料；效率高，节约能源；不需要润滑油机械维护简单，节约使用成本；寿命更长，节约设备投资。从整个生命周期来看，能够减少大量二氧化碳的排放。随着国家对产业升级和节能减排的大力推动，高速化成为旋转机械的大势所趋，其市场空间广阔。
轴承方面，2020年，全国轴承行业营业收入达到1930亿元[5]，随着旋转机械高速化的进程推动，磁悬浮轴承将会占据越来越多的份额，即使按照1/10的份额计算，也将达到100亿规模。
电机方面，2020年全国工业电机产量为32334.1万千瓦，销售收入达到3291.4亿元[6]。平均单位千瓦售价约1000元/千瓦，目前磁悬浮高速电机的售价大概在1500元/千瓦高于该平均值，但随着批量生产带来的规模效应，当磁悬浮高速电机年产量达到200万千瓦时（即年产20000台100千瓦电机），即可达到1000元/千瓦的平均线，对应销售收入20亿元。加之高速化附带的对增速齿轮箱的替代，磁悬浮高速电机的发展空间巨大，至少应达到500亿市场规模。
按照国民经济分类，能量转化装置可以归属于通用设备制造领域，涵盖内燃机、汽轮机、泵及真空设备、气体jdb电子游戏平台网站
械、风机、制冷、空调设备等众多领域，2020年通用设备制造业销售收入40065.7亿元[7]，其中磁悬浮高速旋转机械可以覆盖的范围在1000亿规模。
5 结论
磁悬浮高速旋转机械是磁悬浮轴承、高速电机、高速能量转换装置的有机结合体，是一种动力的革命，是我国实现装备制造业升级和换道超车的重要机遇。
参考文献
[1] 张维煜, 朱熀秋, 袁野. 磁悬浮轴承应用发展及关键技术综述[J]. 电工技术学报, 2015, 30(012):12-20.
[2] CHWEITZER. 主动磁轴承基础、性能及应用[M]. 虞烈，袁崇军译，北京:新时代出版社，1997
[3] 张凤阁，杜光辉，王天等. 高速电机发展与设计综述[J].电工技术学报，2016，4(7)
[4] Chong-hua Wu. A General Though-Flow Theory of Fluid Flow With Subsonic or Supersonic Velocity in Turbomachines of Arbitrary Hub and Casing Shapes [J].NACA TN2302，1952
[5] 中商情报网
[6] 前瞻产业研究院《中国工业电机行业发展前景预测与投资战略规划分析报告》
[7] 国家统计局
来源：本站原创
能源是人类进化和社会发展过程重要的因素，人类利用能源需要实现能量形式的转化，如把热能转化为机械能，机械能转化为电能，电能转化为机械能等。机械旋转是能量转化的重要手段，通常转速越高能量转化的效率越高，转化机械的能量密度越大，因而高速旋转机械应运而生。
高速旋转机械大体可分为三类：高速电动机械、高速发电机械、高速非电机械。1）高速电动机械是指由高速电机驱动的机械，实现电能到机械能再到更具体的能量形式的转化，如鼓风机、jdb电子游戏平台网站
等；2）高速发电机械是指由热能、水能、风能能转化为机械旋转带动高速发电机发电的机械，实现能源到机械能再到电能的转换，如汽轮发电机、燃气轮发电机等；3）高速非电机械是指不经过电动机或发电机，直接以机械能作为中间载体的能量转换机械，例如由膨胀机直接带动jdb电子游戏平台网站
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高速旋转机械由高速轴承、高速动力源、高速能量转化装置三个要素部分组成。高速旋转对轴承带来了巨大挑战，高速带来轴承线速度上升，对于接触轴承来讲机械摩擦引起的磨损和发热都快速增加，润滑代价增加，寿命极大降低，甚至根本无法运行，磁悬浮轴承从根本上解决了高速带来的一系列支撑难题、无机械摩擦引起的磨损和发热问题，不需要润滑，可以说磁悬浮轴承为高速旋转机械打开了一扇大门。
在第1）类高速电动机械中，高速动力源是高速电机，高速能量转化是流体机械等转化装置；第2）类高速发电机械是第1）类高速电动机械的逆操作；第3）类旋转机械则是前两类的结合，中间省略了发电和电动机的转化。一个典型的高速旋转机械可以进一步定义其组成包括：高速轴承、高速电动机/发电机、高速能量转化装置，其中高速电动机/发电机可统称为高速电机，下面分别进行论述。
1 高速轴承
轴承是旋转机械中支承转子的关键部件，常规的轴承包括滚动轴承、滑动轴承、悬浮轴承，滚动轴承和滑动轴承都属于接触式轴承，虽然定转子可能通过油膜不直接接触，但本质上油膜也不能承受过高的线速度，因而极大地限制了高速应用。悬浮轴承真正意义上不产生机械接触，因而是高速轴承的主要解决方案，悬浮轴承包括磁悬浮轴承和空气悬浮轴承，空气悬浮轴承又分为静压轴承和动压轴承，由于空气承载力较小，因而只限制在小功率转子较轻的应用上；磁悬浮轴承有比非常宽的适应范围，承载能力强，对工作介质没有特殊，真空中也可以运行，因而是最适合高速旋转机械的轴承。
磁悬浮轴承技术萌芽于20世纪三十年代，德国和美国相继有人成功的进行了主动磁悬浮系统的设计和实现，欧美发达国家在六七十年代开始工程应用，最早以NASA等研究机构为主，之后欧洲较多学者和工程人员开始研究，尤其以瑞士、德国、法国、芬兰等较为集中。中国的系统性研究大概开始于20世纪90年代，以清华大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学为代表。磁悬浮技术的产业化始于欧洲，法国S2M公司1976年成立，开始将研究转化为工业应用，中国的产业化则整整晚了30年，代表性的企业有：飞旋科技成立于2006年，是国内首家从事磁悬浮轴承产品研发和推广的专业公司；磁谷科技是第二家主要从事磁悬浮轴承技术研究、开发和产业化的公司[1]。
磁悬浮轴承是利用磁力使转子悬浮于定子中心，从而获得无接触支承的一种电磁装置。英国数学家Earnshaw从理论上证明了单纯依靠永磁不能实现静态下的全悬浮，因而采用主动控制方法的主动磁悬浮轴承(active magnetic bearing)是工业领域应用的主要悬浮形式[2]。主动磁悬浮轴承由位移传感器、轴承本体、控制器和辅助轴承等部分组成，轴承本体又分为两组径向轴承和一组轴向轴承，如图1所示。主动磁悬浮轴承本质上是一套带有闭环控制的电磁装置，传感器采集转子的位移，控制器进行控制算法实现，输出控制电流控制轴承本体产生电磁场悬浮转子。辅助轴承的作用是在转子未悬浮状态提供备用支承，或在紧急情况下提供保护。
磁悬浮轴承定转子不接触，不需要润滑油或润滑脂，没有机械摩擦，可以支承转子达到很高的线速度，打破了常规轴承的诸多限制，尤其在高速应用的场合，拥有无可比拟的优势，是一种革命性的轴承。
2 高速电机
高速电机在工业领域有广泛的应用前景，既可以以电动机的方式驱动jdb电子游戏平台网站
等负载，也可以作为发电机配合汽轮机、燃气轮机等工作。由于直连负载或原动机，取消了变速箱和油润滑系统，体积重量都大大减小。永磁电机相比电励磁同步电机和异步电机，转子没有导条，不需要采用硅钢片，因此具有极为简单和结实的转子结构，非常适合高速运行。同时永磁电机转子损耗非常小，具有天然的高效率优势，因此目前国内外的主流大功率高速电机多采用永磁电机方案[3]。
高速电机按照功率划分，可以分为以下四个等级：1）小功率高速电机：功率在数十瓦至数千瓦范围，转速一般超过10万转/分钟；2）中小功率高速电机：功率为数十千瓦，转速范围一般在5～10万转/分钟；3）中等功率高速电机：功率为数百千瓦，转速范围一般在1～6万转/分钟；4）大功率高速电机：功率为数兆瓦，转速范围一般在0.6～2万转/分钟。第1）、2）类高速电机主要可以用在惯性导航装置、牙科磨头、离心机、雕刻机、微型或小型电辅助涡轮增压器、制冷jdb电子游戏平台网站
、微型或小型燃气轮发电机系统、高速电主轴等。这两类的高速电机，国内外已取得了不少成果，许多相关技术基本成熟，其应用也日益广泛。第3）类高速电机可以应用在大型高速鼓风机、大型空气jdb电子游戏平台网站
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高速电机取消了变速箱，直接驱动负载，没有传动损失，是一种革命性的电机。
3 高速能量转化装置
高速能量转化装置，是一种高速旋转机械，是“高速”和“旋转”两个概念的复合，以高速旋转为主要特征点，典型应用包括汽轮机、燃气轮机、jdb电子游戏平台网站
、风机、泵、水轮机、机床、航空发动机等广泛应用于电力、石化、冶金、环保、航空航天等领域。除机床、储能飞轮等领域外，大多属于流体机械。
流体机械是以流体为对象，进行能量转换的机械装置，按照工作原理、结构可以大体分为容积式和动力式两种。动力式流体机械通过叶片的高速旋转和流体之间传递能量，也称为透平机械。以往，高速的获得通过齿轮箱实现，随着磁悬浮轴承技术和高速电机技术的发展，高速直驱成为透平机械的首选解决方案。磁悬浮高速电机在处理空气的鼓风机、空压机，处理工艺气体的工艺jdb电子游戏平台网站
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三元流技术是我国科学家吴仲华首先提出的基础理论[4]，目前已经成为国际流体机械高效气动设计的通用性技术，通过把叶轮内部三元立体空间无限地分割，对叶轮流道各工作点进行分析，建立完整的流动数学模型，效率明显提高，通常叶轮效率可以高达95%以上。
通常速度越高，能量转换装置的体积越小，能量密度越大，因而高速化是能量转换装置的发展趋势。
4 磁悬浮高速旋转机械及其市场分析
采用磁悬浮轴承支承，高速电机直接驱动高速能量转化装置工作，就产生了高速旋转机械这一革命性的机械形式。磁悬浮高速旋转机械结合了磁悬浮轴承无摩擦、无需润滑的优点，高速电机传动效率高的优点，以及高速能量转化装置转化效率高的优点于一身，体积远小于传统机械，节约制造材料；效率高，节约能源；不需要润滑油机械维护简单，节约使用成本；寿命更长，节约设备投资。从整个生命周期来看，能够减少大量二氧化碳的排放。随着国家对产业升级和节能减排的大力推动，高速化成为旋转机械的大势所趋，其市场空间广阔。
轴承方面，2020年，全国轴承行业营业收入达到1930亿元[5]，随着旋转机械高速化的进程推动，磁悬浮轴承将会占据越来越多的份额，即使按照1/10的份额计算，也将达到100亿规模。
电机方面，2020年全国工业电机产量为32334.1万千瓦，销售收入达到3291.4亿元[6]。平均单位千瓦售价约1000元/千瓦，目前磁悬浮高速电机的售价大概在1500元/千瓦高于该平均值，但随着批量生产带来的规模效应，当磁悬浮高速电机年产量达到200万千瓦时（即年产20000台100千瓦电机），即可达到1000元/千瓦的平均线，对应销售收入20亿元。加之高速化附带的对增速齿轮箱的替代，磁悬浮高速电机的发展空间巨大，至少应达到500亿市场规模。
按照国民经济分类，能量转化装置可以归属于通用设备制造领域，涵盖内燃机、汽轮机、泵及真空设备、气体jdb电子游戏平台网站
械、风机、制冷、空调设备等众多领域，2020年通用设备制造业销售收入40065.7亿元[7]，其中磁悬浮高速旋转机械可以覆盖的范围在1000亿规模。
5 结论
磁悬浮高速旋转机械是磁悬浮轴承、高速电机、高速能量转换装置的有机结合体，是一种动力的革命，是我国实现装备制造业升级和换道超车的重要机遇。
参考文献
[1] 张维煜, 朱熀秋, 袁野. 磁悬浮轴承应用发展及关键技术综述[J]. 电工技术学报, 2015, 30(012):12-20.
[2] CHWEITZER. 主动磁轴承基础、性能及应用[M]. 虞烈，袁崇军译，北京:新时代出版社，1997
[3] 张凤阁，杜光辉，王天等. 高速电机发展与设计综述[J].电工技术学报，2016，4(7)
[4] Chong-hua Wu. A General Though-Flow Theory of Fluid Flow With Subsonic or Supersonic Velocity in Turbomachines of Arbitrary Hub and Casing Shapes [J].NACA TN2302，1952
[5] 中商情报网
[6] 前瞻产业研究院《中国工业电机行业发展前景预测与投资战略规划分析报告》
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