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隨著航空航天、國(guó)防安全、生產(chǎn)生活等領(lǐng)域?qū)Ρ銛y式、高功率密度能量轉(zhuǎn)換裝置需求的急劇上升，超高速微型電機(jī)成為了當(dāng)今必要的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展方向。超高速微型電機(jī)功率一般在幾十瓦至數(shù)千瓦之間，轉(zhuǎn)速一般超過(guò)10萬(wàn)r/min。轉(zhuǎn)速高、體積小、能量密度大的特點(diǎn)使得超高速微型電機(jī)更能適應(yīng)現(xiàn)代化高端裝備的特殊要求。

圖1為當(dāng)今超高速微小型永磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域。其中，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)設(shè)計(jì)了一臺(tái)100W-（150000～300000）r/min外轉(zhuǎn)子飛輪儲(chǔ)能裝置，用于航空航天領(lǐng)域；瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研制了一臺(tái)100W-500000r/min超高速永磁電機(jī)，用作燃?xì)鉁u輪機(jī)組的發(fā)電機(jī)部分；英國(guó)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(jī)，具備體積小、質(zhì)量輕、吸力強(qiáng)勁的特點(diǎn)，得到市場(chǎng)廣泛的認(rèn)可。

此外，超高速微型電機(jī)在飛輪儲(chǔ)能、醫(yī)學(xué)、高精度磨床等領(lǐng)域仍有較大發(fā)展空間和前景，如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的高速牙科手機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍一般在300000～450000r/min，目前仍主要采用空氣渦輪驅(qū)動(dòng)，因此難以對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制。如果采用超高速電驅(qū)動(dòng)代替空氣驅(qū)動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)其速度和轉(zhuǎn)矩的精確調(diào)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(jī)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于超高速微小型電機(jī)的研究相對(duì)較少，其中，南京航空航天大學(xué)研制的1kW- 130000r/min的超高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和浙江大學(xué)設(shè)計(jì)的2.3kW-150000r/min的永磁電機(jī)均完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，并分別給出了130000r/min和100000r/min的空載運(yùn)行條件下的實(shí)驗(yàn)波形。廣東工業(yè)大學(xué)對(duì)980W-200000r/min超高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在理論上分析了電磁、損耗、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度等電機(jī)特性。

無(wú)論在理論研究還是工業(yè)應(yīng)用方面，超高速電機(jī)目前的發(fā)展仍然十分有限，其原因主要在于：極限轉(zhuǎn)速和微型體積讓超高速電機(jī)具備超高能量密度的同時(shí)，也使其面臨電磁設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、損耗抑制、冷卻方式、軸承支撐等諸多技術(shù)難題。

為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已展開(kāi)對(duì)超高速電機(jī)領(lǐng)域的全面研究。有學(xué)者研究了超高速永磁電機(jī)機(jī)械應(yīng)力和轉(zhuǎn)子振動(dòng)的關(guān)系，并分析了護(hù)套厚度、過(guò)盈量、轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響；有學(xué)者基于磁場(chǎng)分析證明磁力軸承對(duì)轉(zhuǎn)子的支撐為各向同性，計(jì)算了電磁軸承的線性支撐剛度，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了一臺(tái)磁力軸承高速電機(jī)；有學(xué)者對(duì)一臺(tái)1.5kW- 150000r/min永磁電機(jī)的繞組銅損進(jìn)行深入分析，并通過(guò)磁屏蔽和導(dǎo)體分割的方法有效降低了繞組銅損；有學(xué)者以1kW-280000r/min電機(jī)模型為例，比較了不同冷卻方法對(duì)超高速電機(jī)的散熱效果，最后通過(guò)選擇合適的冷卻方案，計(jì)算出電機(jī)功率密度可以提高一倍以上。

考慮到超高速微型電機(jī)目前所面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)，南京航空航天大學(xué)的科研人員研究了考慮支撐系統(tǒng)穩(wěn)定性和多物理場(chǎng)耦合特性的超高速電機(jī)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

圖2 多物理場(chǎng)特性耦合關(guān)系及設(shè)計(jì)流程

他們建立了采用整體式支撐系統(tǒng)的超高速微型電機(jī)模型，設(shè)計(jì)了配合有合金護(hù)套的2極表貼式Nd2Fe14B的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及“無(wú)槽-6虛擬槽”的定子結(jié)構(gòu)。在多物理的分析中，研究了所設(shè)計(jì)樣機(jī)的電磁、損耗、溫升耦合特性，并驗(yàn)證該特性符合設(shè)計(jì)要求；基于溫度場(chǎng)變化，對(duì)0r/min-22℃、300000r/min- 35℃、550000r/min-50℃、550000r/min-80℃工況下的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行校核，優(yōu)化設(shè)計(jì)了過(guò)盈量取值范圍為8～12μm。針對(duì)整體支撐結(jié)構(gòu)探究了支撐位置、支撐剛度對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的影響，合理地選取支撐位置，判斷支撐剛度設(shè)計(jì)范圍。經(jīng)過(guò)多次迭代設(shè)計(jì)得到滿足多物理場(chǎng)需求的綜合設(shè)計(jì)方案。

圖3 整體式轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)示意圖

圖4 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)與平臺(tái)

科研人員最后基于理論設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的加工并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行全面的測(cè)試與評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，樣機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了550000r/min的穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

以上研究成果發(fā)表在2021年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于多耦合特性的整體支撐式超高速微型永磁電機(jī)設(shè)計(jì)”，作者為高起興、王曉琳 等。