南京航空航天大学科研人员发布整体支撑式超高速微型永磁电机的研究成果

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南京航空航天大学多电飞机与电气系统重点实验室、宁波市镇海银球轴承有限公司的研究人员高起兴、王晓琳、顾聪、刘思豪、李定华，在2021年第14期《电工技术学报》上撰文，基于超高速微型永磁电机（UHSMPMM）受多物理场特性制约的问题，对超高速微型永磁电机支撑系统、电磁（热）设计、结构强度及动力学等方面进行综合设计研究。

首先，结合超高速微型永磁电机的工作特性及微型转子结构特点设计整体式支撑系统及电机整机架构；其次，研究高频条件下的电磁-损耗-温升特性，其中重点分析温升特性对转子结构强度的影响，并给出基于温度场耦合下的超高速转子结构强度关键参数的优化方法；再次，探究整体支撑系统中转子临界转速的影响因素及变化规律；最后，依据多耦合特性分析及优化结果，研制一台550000(r/min)/110W原理样机，并对样机进行实验测试。结果显示，该样机实现了稳定运行，从而证明了所提设计方法的有效性。

随着航空航天、国防安全、生产生活等领域对便携式、高功率密度能量转换装置需求的急剧上升，超高速微型电机成为了当今必要的研究内容和发展方向。超高速微型电机功率一般在几十瓦至数千瓦之间，转速一般超过10万r/min。转速高、体积小、能量密度大的特点使得超高速微型电机更能适应现代化高端装备的特殊要求。

图1为当今超高速微小型永磁电机的研究现状和应用领域。其中，美国宾夕法尼亚州立大学设计了一台100W-（150000～300000）r/min外转子飞轮储能装置，用于航空航天领域；瑞士苏黎世联邦理工学院研制了一台100W-500000r/min超高速永磁电机，用作燃气涡轮机组的发电机部分；英国戴森公司为其最新的V11 COMPLETE吸尘器配备了125000r/min的超高速电机，具备体积小、质量轻、吸力强劲的特点，得到市场广泛的认可。

此外，超高速微型电机在飞轮储能、医学、高精度磨床等领域仍有较大发展空间和前景，如医学领域的高速牙科手机的转速范围一般在300000～450000r/min，目前仍主要采用空气涡轮驱动，因此难以对转速、转矩进行精确控制。如果采用超高速电驱动代替空气驱动设备实现对其速度和转矩的精确调控，则可大大提高临床治疗效率。

图1 超高速微小型永磁电机研究现状与应用领域

目前，国内对于超高速微小型电机的研究相对较少，其中，南京航空航天大学研制的1kW- 130000r/min的超高速开关磁阻电机和浙江大学设计的2.3kW-150000r/min的永磁电机均完成实验平台的搭建，并分别给出了130000r/min和100000r/min的空载运行条件下的实验波形。广东工业大学对980W-200000r/min超高速永磁无刷直流电机进行定转子结构设计，并在理论上分析了电磁、损耗、转子强度等电机特性。

无论在理论研究还是工业应用方面，超高速电机目前发展仍然十分有限，其原因主要在于：极限转速和微型体积让超高速电机具备超高能量密度的同时，也使其面临电磁设计、转子强度、转子动力学、损耗抑制、冷却方式、轴承支撑等诸多技术难题。

为此，国内外学者已展开对超高速电机领域的全面研究。有学者研究了超高速永磁电机机械应力和转子振动的关系，并分析了护套厚度、过盈量、转速对转子应力的影响；有学者基于磁场分析证明磁力轴承对转子的支撑为各向同性，计算了电磁轴承的线性支撑刚度，并以此为依据设计了一台磁力轴承高速电机；有学者对一台1.5kW- 150000r/min永磁电机的绕组铜损进行深入分析，并通过磁屏蔽和导体分割的方法有效降低了绕组铜损；有学者以1kW-280000r/min电机模型为例，比较了不同冷却方法对超高速电机的散热效果，最后通过选择合适的冷却方案，计算出电机功率密度可以提高一倍以上。

考虑到超高速微型电机目前所面临的主要技术难点，南京航空航天大学的科研人员研究了考虑支撑系统稳定性和多物理场耦合特性的超高速电机综合优化设计方法。

图2 多物理场特性耦合关系及设计流程

他们建立了采用整体式支撑系统的超高速微型电机模型，设计了配合有合金护套的2极表贴式Nd2Fe14B的转子结构以及“无槽-6虚拟槽”的定子结构。在多物理的分析中，研究了所设计样机的电磁、损耗、温升耦合特性，并验证该特性符合设计要求；基于温度场变化，对0r/min-22℃、300000r/min- 35℃、550000r/min-50℃、550000r/min-80℃工况下的转子强度进行校核，优化设计了过盈量取值范围为8～12μm。针对整体支撑结构探究了支撑位置、支撑刚度对临界转速的影响，合理地选取支撑位置，判断支撑刚度设计范围。经过多次迭代设计得到满足多物理场需求的综合设计方案。

图3 整体式转子支撑系统示意图

图4 实验样机与平台

科研人员最后基于理论设计实现了样机的加工并对样机进行全面的测试与评估。实验结果显示，样机成功实现了550000r/min的稳定运行，验证了该设计的合理性和可行性。

以上研究成果发表在2021年第14期《电工技术学报》，论文标题为“基于多耦合特性的整体支撑式超高速微型永磁电机设计”，作者为高起兴、王晓琳 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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