基于超声波悬浮支撑的高速电机设计理论与方法研究

高速电机被广泛应用于民用与工业各个领域，近年在空间卫星及陀螺等系统中获得了广泛应用。由于功率密度高、转速大(通常为20000rpm以上)，普通的机械轴承已经不能满足高速电机的支撑要求，因而出现了多种无接触式支撑方式。本项目提出利用超声波悬浮形成对高速电机转子的支撑，是现有气浮、液浮或磁悬浮之外的又一种非接触高速转子轴承构造新方法，具有结构简单、控制简便、工作可靠特点。研究电磁力高速驱动条件下，超声波振动对高速转子的悬浮作用机理、支撑效果、动压油膜形成条件问题；解决超声波悬浮力作用下高速转子高频自激振动的生成与抑制问题、临界转速的系统共振及其控制问题等；同时研究高速电机定子与转子的结构设计及其实现，设计并试制超声波悬浮高速电机2台，进行试验。是高速电机轴系悬浮支撑技术的新尝试,国内外未见类似研究工作报导,具有原始创新性，可取得完全的自主知识产权。预计发表论文8篇，申报或获得发明专利不少于2项

以超声振动利用为特征的压电超声技术近年来发展迅速。本项目针对超声波振动减摩及悬浮理论的基本问题进行了系统深入的研究，并将超声学、机械振动学及摩擦学、电机学相结合，首次提出了超声波悬浮轴承支撑电机转子这一全新概念，拓宽了超声波振动的应用研究领域，目前国内外尚未见相关的研究报道。本项目从超声波振动具有减摩和悬浮作用这一基本前提入手，以螺栓紧固型压电换能器作为超声振动的发生源，在理论分析和大量实验研究的基础上，设计制造了采用双向支撑的锥型结构与径向支撑的环向结构永磁同步电机，并对这两种悬浮支撑进行了实测分析。目前获得的主要研究结论包括：螺栓紧固型压电换能器在超声振动状态下，其振动输出端具有良好的减摩性能，采用螺栓紧固型压电换能器来提供超声波振动进而构造超声波悬浮轴承电机是可行的；压电换能器的振动模态、辐射端面的振幅大小和辐射端的结构形状是影响减摩与悬浮效果及轴承承载能力的主要因素；电磁力高速驱动条件下超声波悬浮轴承与电机转子间能形成稳定的动压油膜；超声波悬浮轴承与电机间不存在电磁耦合，不会对电机磁场产生任何影响；超声波悬浮轴承电机的转速达到20000转/分以上；比较而言，该方法与现有的其他各种悬浮轴承技术相比，所具有的明显优势：结构简单、体积小、噪声小、发热少。利用超声波悬浮技术构造超声悬浮支撑高速电机系统在国内外还未见研究报导，因而本项目的研究具有原始创新性。