无槽水力-电磁耦合悬浮微泵设计理论与应用

完成人：罗小兵、胡润、邢冠英、薛淞、韩家成

主动液冷散热技术具有散热能力强、结构紧凑、高效节能等优点，将成为AI服务器、新能源汽车、雷达、卫星等高热流密度场景下的主流散热方式。微型泵作为液冷系统的“心脏”，直接决定了系统的散热能力和可靠性。2023年全球液冷微型泵市场规模为221.7亿元，预计2027年将达到611.5亿元，年复合增长率达29%。然而现有散热微型泵主要采用接触式轴承，转速难以提升，另外轴承极易磨损失效，存在功率密度低、寿命短的弊端，一定程度上制约了液冷系统的散热性能和可靠性。液冷散热行业迫切需要一款高性能、小体积、长寿命的微型泵。

悬浮技术可以通过外力使得转子脱离与固体轴承之间的接触，从而彻底摆脱接触磨损，是解决轴承磨损难题的有效方案。现有的悬浮技术方案主要有主动控制磁悬浮、永磁悬浮和水力悬浮，这些方案由于结构复杂、可靠性低、制造困难且成本较高无法在液冷散热领域大批量使用。因此亟须一种结构更简单、悬浮更可靠的新型悬浮技术。

新型无槽液体-电磁耦合悬浮技术及其应用场景

罗小兵教授团队历时16年研发首次发现了基于转子自身旋转产生的动压流体力耦合电机电磁力的悬浮机理，发明了无槽液体-电磁耦合悬浮微型泵。该技术不需要额外引入任何悬浮辅助部件，可在20000RPM以上的转速下实现对旋转部件全自由度全工况悬浮调控，具有低成本、高悬浮刚度、高可靠等优势。

无槽液体-电磁耦合的悬浮原理的实现需要对转子所受湍流水力、重力、不平衡载荷、电机时变电磁力进行精确动态平衡，且动静部件的间隙在数十微米的量级，悬浮窗口窄，设计难度极大。团队建立了微型泵内部薄液膜流动与动量传递的理论模型和瞬态电磁场计算模型，实现了微型泵转子所受水力、电磁力的精确求解；进一步建立了微泵转子在流体中的非线性运动学模型，揭示了多物理场耦合的悬浮机制，实现对悬浮轨迹的预测，借助模型可对转子所受的多个力进行精确平衡，实现产品系列化设计和优化。研发的悬浮微型泵转速超过20000转每分钟，尺寸仅34×34×31mm，额定流量和扬程达2.7L/min和107Kpa，相较于国内外同类产品，体积功率密度提升显著。

悬浮微泵转子悬浮轨迹测量系统及测量数据

为测量悬浮微泵的产品寿命，在极端工况下开展了长达13000小时的温度-电压双加速因子寿命测试，结果表明悬浮微泵的寿命可以达到20年。该成果为液冷散热系统提供了高可靠核心器件，已经有数十家国内外知名单位小量使用了团队自主研制的微型泵。数十年的专注和积累，团队的微泵技术目前已经完成多笔现金成果转化，超薄微泵技术以500万元转让给华为，悬浮微泵技术以1000万元被中科创星投资收购，拟在数据中心、充电桩、电动汽车等场景大批量应用。

悬浮微泵加速寿命测试实验台架及测试数据

该工作得到了国家973、杰青等国家项目及中海油、华为和中船重工等企业项目的支持。