- 頭條南航等單位科研人員發布整體支撐式超高速微型永磁電機的研究成果2022-03-04 作者：高起興、王曉琳 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語南京航空航天大學多電飛機與電氣系統重點實驗室、寧波市鎮海銀球軸承有限公司的研究人員高起興、王曉琳、顧聰、劉思豪、李定華，在2021年第14期《電工技術學報》上撰文，基于超高速微型永磁電機（UHSMPMM）受多物理場特性制約的問題，對超高速微型永磁電機支撐系統、電磁（熱）設計、結構強度及動力學等方面進行綜合設計研究。 首先，結合超高速微型永磁電機的工作特性及微型轉子結構特點設計整體式支撐系統及電機整機架構；其次，研究高頻條件下的電磁-損耗-溫升特性，其中重點分析溫升特性對轉子結構強度的影響，并給出基于溫度場耦合下的超高速轉子結構強度關鍵參數的優化方法；再次，探究整體支撐系統中轉子臨界轉速的影響因素及變化規律；最后，依據多耦合特性分析及優化結果，研制一臺550000(r/min)/110W原理樣機，并對樣機進行實驗測試。結果顯示，該樣機實現了穩定運行，從而證明了所提設計方法的有效性。
隨著航空航天、國防安全、生產生活等領域對便攜式、高功率密度能量轉換裝置需求的急劇上升，超高速微型電機成為了當今必要的研究內容和發展方向。超高速微型電機功率一般在幾十瓦至數千瓦之間，轉速一般超過10萬r/min。轉速高、體積小、能量密度大的特點使得超高速微型電機更能適應現代化高端裝備的特殊要求。
圖1為當今超高速微小型永磁電機的研究現狀和應用領域。其中，美國賓夕法尼亞州立大學設計了一臺100W-（150000～300000）r/min外轉子飛輪儲能裝置，用于航空航天領域；瑞士蘇黎世聯邦理工學院研制了一臺100W-500000r/min超高速永磁電機，用作燃氣渦輪機組的發電機部分；英國戴森公司為其最新的V11 COMPLETE吸塵器配備了125000r/min的超高速電機，具備體積小、質量輕、吸力強勁的特點，得到市場廣泛的認可。
此外，超高速微型電機在飛輪儲能、醫學、高精度磨床等領域仍有較大發展空間和前景，如醫學領域的高速牙科手機的轉速范圍一般在300000～450000r/min，目前仍主要采用空氣渦輪驅動，因此難以對轉速、轉矩進行精確控制。如果采用超高速電驅動代替空氣驅動設備實現對其速度和轉矩的精確調控，則可大大提高臨床治療效率。
圖1 超高速微小型永磁電機研究現狀
目前，國內對于超高速微小型電機的研究相對較少，其中，南京航空航天大學研制的1kW- 130000r/min的超高速開關磁阻電機和浙江大學設計的2.3kW-150000r/min的永磁電機均完成實驗平臺的搭建，并分別給出了130000r/min和100000r/min的空載運行條件下的實驗波形。廣東工業大學對980W-200000r/min超高速永磁無刷直流電機進行定轉子結構設計，并在理論上分析了電磁、損耗、轉子強度等電機特性。
無論在理論研究還是工業應用方面，超高速電機目前的發展仍然十分有限，其原因主要在于：極限轉速和微型體積讓超高速電機具備超高能量密度的同時，也使其面臨電磁設計、轉子強度、轉子動力學、損耗抑制、冷卻方式、軸承支撐等諸多技術難題。
為此，國內外學者已展開對超高速電機領域的全面研究。有學者研究了超高速永磁電機機械應力和轉子振動的關系，并分析了護套厚度、過盈量、轉速對轉子應力的影響；有學者基于磁場分析證明磁力軸承對轉子的支撐為各向同性，計算了電磁軸承的線性支撐剛度，并以此為依據設計了一臺磁力軸承高速電機；有學者對一臺1.5kW- 150000r/min永磁電機的繞組銅損進行深入分析，并通過磁屏蔽和導體分割的方法有效降低了繞組銅損；有學者以1kW-280000r/min電機模型為例，比較了不同冷卻方法對超高速電機的散熱效果，最后通過選擇合適的冷卻方案，計算出電機功率密度可以提高一倍以上。
考慮到超高速微型電機目前所面臨的主要技術難點，南京航空航天大學的科研人員研究了考慮支撐系統穩定性和多物理場耦合特性的超高速電機綜合優化設計方法。
圖2 多物理場特性耦合關系及設計流程
他們建立了采用整體式支撐系統的超高速微型電機模型，設計了配合有合金護套的2極表貼式Nd2Fe14B的轉子結構以及“無槽-6虛擬槽”的定子結構。在多物理的分析中，研究了所設計樣機的電磁、損耗、溫升耦合特性，并驗證該特性符合設計要求；基于溫度場變化，對0r/min-22℃、300000r/min- 35℃、550000r/min-50℃、550000r/min-80℃工況下的轉子強度進行校核，優化設計了過盈量取值范圍為8～12μm。針對整體支撐結構探究了支撐位置、支撐剛度對臨界轉速的影響，合理地選取支撐位置，判斷支撐剛度設計范圍。經過多次迭代設計得到滿足多物理場需求的綜合設計方案。
圖3 整體式轉子支撐系統示意圖
圖4 實驗樣機與平臺
科研人員最后基于理論設計實現了樣機的加工并對樣機進行全面的測試與評估。實驗結果顯示，樣機成功實現了550000r/min的穩定運行，驗證了該設計的合理性和可行性。
以上研究成果發表在2021年第14期《電工技術學報》，論文標題為“基于多耦合特性的整體支撐式超高速微型永磁電機設計”，作者為高起興、王曉琳 等。
