磁悬浮离心泵转子被动控制悬浮特性研究：基于泵-电机耦合视角的数值模拟与结构优化

本研究针对磁悬浮离心泵(BPMSM)转子被动控制稳定性问题，通过建立泵-电机耦合数值模型，揭示了水力轴向力对转子悬浮特性的影响机制。研究人员采用CFD和电磁场仿真技术，提出平衡孔与背叶片组合优化方案，使轴向力降低92.5%，验证了BPMSM在极端位姿下的43N轴向恢复力与2.2N·m恢复扭矩的被动悬浮能力，为无密封泵设计提供了重要理论支撑。

　　

在半导体加工、人工心脏泵等高科技领域，传统离心泵的机械密封结构长期面临流体泄漏和污染难题。磁悬浮离心泵通过非接触式磁力驱动技术实现了革命性突破，但其核心挑战在于转子悬浮稳定性——特别是当泵运行时，水力产生的轴向力可能破坏被动磁悬浮平衡。江苏大学的研究团队在《Journal of Computational Design and Engineering》发表的研究，首次从泵-电机耦合视角系统解析了这一关键问题。

研究团队创新性地采用多物理场耦合方法，对2kW级磁悬浮离心泵系统进行建模。通过分离建立永磁无轴承电机(BPMSM)和离心泵的数值模型，再以水力载荷为纽带实现耦合仿真。电磁场仿真基于Maxwell方程组，采用A矢量规范求解；流体模拟选用SST k-ω湍流模型，其壁面处理优势能精确捕捉叶轮通道的复杂流动。特别设计了网格独立性验证环节，最终确定电机模型采用377,081单元、泵模型采用2,865,096单元的计算规模。

被动悬浮特性分析显示，BPMSM在±5mm轴向位移内产生线性恢复力，最大达43N；6°倾斜角时恢复扭矩为2.2N·m。原始叶轮设计产生227.34N轴向力，远超电机承载能力。通过引入直径10mm平衡孔，轴向力降低40%至136.51N；叠加4个2.6mm高的背叶片后，轴向力进一步降至10.28N，降幅达92.5%。值得注意的是，倾斜扭矩始终维持在0.28N·m以下，远低于电机恢复能力。

极端工况验证更具工程价值。当转子径向偏移0.5mm时，轴向力保持稳定而倾斜扭矩轻微增加；在最大允许倾斜角3°时，33.4N的轴向力与1N·m扭矩仍处于BPMSM的被动控制范围内。这些数据证实：优化后的叶轮-转子组合能在各种位姿下维持稳定悬浮。

该研究的重要意义在于建立了泵-电机耦合设计方法论。通过数值仿真提前预测系统稳定性，避免了传统试错法的高成本。提出的平衡孔-背叶片组合方案，以简单结构实现轴向力精确平衡，为磁悬浮泵的工程应用扫除了关键技术障碍。未来研究可进一步通过原型试验验证长期运行可靠性，并探索在人工心脏泵等生命支持设备中的应用潜力。这项工作为新一代无密封泵设计提供了理论基石，展示了多物理场仿真在机电系统优化中的强大价值。