LUT大学与斯维奇合作突破高速电机设计边界

高速实心转子在工业领域的应用日益广泛。与此同时，客户对更高转速和功率密度的需求不断增长——远超传统 6,000 至 20,000 rpm 的运行范围

然而，传统制造方法限制了大型商用高速实心转子电机的开发，尤其是质量超过 1,600 kg、长度超过 2 米 的机型。满足客户需求因此需要全新的、最先进的制造方法。

这正是 LUT 大学与 斯维奇合作研究的切入点。这对长期合作伙伴正携手开发高速实心转子的新技术。

高速实心转子电机面临诸多独特的设计挑战。目前 LUT–斯维奇合作正在攻克的两个重点是：

• 简化热泵用高速电机设计中的多学科交叉问题
• 开发确保在任何采用主动磁轴承（AMBs, active magnetic bearings）的设计中充分考虑系统动力学的方法

热泵的多学科设计挑战

工业级热泵的设计需要多个学科专家的紧密协作，包括：

• 电磁学
• 冷却
• 流体动力学
• 转子动力学
• 机械强度学
• 主动磁轴承（AMBs）
• 控制系统
  

由于这些领域紧密关联，为满足某一学科需求而做出的任何设计变更都会影响其他所有学科。据 LUT 能源系统学院教授 Jussi Sopanen 表示，这种相互关联性造就了一种”所有人都必须调整各自需求”的局面。”当所有人都感到不满意时，设计才是好的。“

顺畅高效的设计方法学对于协调多学科需求至关重要。

LUT 与斯维奇一直在开发设计方法、工具和流程，以管理这些不同的视角和技术要求。最终目标是加速设计循环，并确保只产生可行且可靠的解决方案。为支持这项工作，双方还在探索AI 辅助设计工具的使用。另一项关键的热泵研究课题是深入理解高速全密封电机中绕组绝缘材料与冷却介质之间的材料兼容性。

AMB设计挑战

主动磁轴承具有损耗极小、无油运行和优异的可控性等优势——对高速电机而言都是极具价值的特性。

然而，AMB 与其他轴承类型之间的显著差异必须始终被仔细考虑。

如今，基于模型的 AMB 控制中最重要的挑战之一是理解系统动力学。电机转子及其所连接的负载都必须在模型中被精确表征，以确保转子动力学与 AMB 控制能够针对每个具体系统实现恰当匹配。这就要求电机制造商与客户在设计阶段即展开紧密协作。

控制调谐也是一项持续的挑战。虽然通常可以通过软件调整完成，但有时需要对 AMB 布局进行设计变更以满足性能要求。尽管软件提供了极大的灵活性，物理边界和材料定律仍然不可突破。

基于这些挑战，LUT 目前正在研究多轴承解决方案，以将 AMB 系统性能提升到超越当今极限的水平。他们还在研究 AMB 在船舶等移动平台及其他车辆中的应用。

未来的 AMB 研究项目包括：

• 改进基于模型的控制方法
• 开发更优的 AMB 执行器
• 实现 AMB 的免手动调谐投运，可能借助 AI 技术

制造方法、绝缘材料以及磁性材料的进一步研究也是正在考虑的其他研究课题。

长期而富有成果的合作历史

LUT 大学多年的合作研究已带来许多成功的商业成果。他们在 1980 年代末对实心转子的研究在短短几年内就发展为工业应用。由此诞生的初创公司 Rotatek 后来成长为今天的斯维奇。迄今为止，斯维奇已向各类工业应用交付了 1,000 多台高速实心转子电机，零转子故障。

斯维奇的其他重要里程碑包括：

• 1999 年：开始交付造纸厂真空鼓风机应用的高速电机。此后已交付 900 多台。
• 2018 年：交付首台采用水套冷却的海事应用电机。迄今已交付 200 多台。
• 2020 年：推出带模块化选项的标准实心转子电机。

当斯维奇在 2000 年代初意识到市场对无油电机压缩机的需求时，公司接洽 LUT 开发经济适用的 AMB 技术。当时，AMB 仍非常昂贵，设计方法有限，性能低下。

LUT 控制工程实验室开始为高速电机开发 AMB，更仔细地研究其电磁设计和控制。这促成了转子动力学建模的研究。

这项工作帮助降低了 AMB 成本并提升了性能。最终还催生了 SpinDrive——一家位于拉彭兰塔、运营超过 10 年的公司。

20 年后，LUT 已成为 AMB 技术领域的领先高校之一，其相关研究依然非常活跃。他们的工作也支持了 AMB 技术在斯维奇的工业应用。2019 年，首台配备 AMB 的斯维奇电机交付。B technology at The Switch. In 2019, the first The Switch machine with AMBs was delivered.

未来可期

这些及其他成功成果证明，产学研紧密合作对于未来进步至关重要。

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