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超流氦具有优良的流动和传热特性，使其在超导磁体冷却等领域的应用需求正不断增强。采用冷压缩机对大制冷量超流氦制冷子系统进行增压，可以有效减小增压设备的体积以及能源损耗。冷压缩机的发展趋势是磁悬浮、高转速、低漏热，即采用高速变频电机驱动、电磁轴承支承以及加长中空轴等技术方案，这些结构特点对冷压缩机轴承-转子系统的稳定性以及通流部分热防护提出了新的挑战。
电磁轴承作为一种新型的非接触式轴承，具有低功耗、无润滑、无污染等特点，对极端高温、低温、洁净等特殊环境具有很好的适应性，非常适合用于冷压缩机的支承，但电磁轴承结构及控制更为复杂，尤其是在高转速工况下电磁轴承-转子系统动力学的相关问题仍是研究的难点之一。另外，冷压缩机作为低温旋转机械，热泄漏会导致等熵效率降低，低温端热防护也是冷压缩机研制时关注的一个难点。为了减小沿着轴向的漏热，冷压缩机采用了加长中空轴，中空段的尺寸不仅会影响隔热效果，还会影响轴承-转子系统的动力学特性。在保证轴承-转子动力学满足设计要求的前提下，实现较好的隔热效果，是冷压缩机追求的目标。基于以上目的，本文围绕冷压缩机进行了深入研究，主要包括以下几个方面:
1.研究了电磁轴承支承特性，在电磁轴承电磁力数学模型的基础上推导了电磁轴承的等效刚度系数和等效阻尼系数，分析了电磁轴承控制器参数对支承参数的影响;基于Timoshenko梁模型，建立了转子有限元模型，组装了电磁轴承-柔性转子系统运动方程，采用Matlab工具编制了电磁轴承-转子动力学程序。利用此程序对一套磁悬浮电机转子进行仿真及分析，对加工成型的磁悬浮电机进行动力学实验，实验结果显示幅频特性曲线变化趋势与动力学计算的结果一致性较好。
2.对一阶弯曲型临界转速关于冷压缩机转子中空段各尺寸参数进行了灵敏度分析，得到临界转速随着相关参数的变化规律，绘制了临界转速随中空段各尺寸参数变化的三维切片图和包络图。基于热阻网络法，以轴向热阻为轴向隔热效果的参考指标，分析了中空段尺寸参数对轴向热阻的影响规律;综合考虑动力学设计要求和隔热效果，绘制了中空段尺寸域的三维热阻切片和临界转速三维包络面综合图，从图中可以清晰地观察到满足临界转速设计要求同时轴向隔热效果较好的尺寸域，便于冷压缩机转子优化设计。
3.高速变频电机永磁体具有抗压能力强而抗拉能力弱的特点，在高转速下离心载荷产生的拉应力可能造成永磁体损坏，为了对离心载荷的拉应力进行补偿，采用合金护套对永磁体施加预压应力。研究了转速为60000rpm的冷态旋转工况不同过盈量时高速永磁电机转子中永磁体第一主应力和合金护套的冯米塞斯应力分布情况。永磁体最大第一主应力随着过盈量的增大而减小，当过盈量达到0.1mm时，最大第一主应力不再随着过盈量的增加而减小;合金护套的最大冯米塞斯等效应力随着过盈量的增加而不断增大，综合考虑，冷压缩机用高速电机转子过盈量选为0.1mm;分析了在此过盈量时高速电机转子在静止工况、冷态旋转工况、热态旋转工况三种情况下的应力分布情况，结果显示均满足设计要求。
4.采用自行编制的电磁轴承-转子动力学有限元程序，对电磁轴承支承的冷压缩机转子进行分析，结果显示临界转速满足设计要求，探讨了不平衡量大小、位置、反向涡动等因素对叶轮振动幅度的影响，对设计加工的冷压缩机进行了动力学实验，对实验结果进行了分析和讨论，结果显示满足使用要求。
5.建立了考虑轴向温度分布的转子动力学有限元模型，编制了考虑轴向温度分布的电磁轴承-转子动力学有限元程序，分析了随温度变化的弹性模量和泊松比对转子振动特性的影响。随着温度的升高，弹性模量减小，转子动力学恶化，反之则反;泊松比随着温度变化对转子振动特性的影响很小，可以忽略不计。冷压缩机转子同时存在高于和低于参考温度的轴段，通过全温度场仿真，提取转子的温度分布，利用建立的有限元程序进行数值计算，揭示了冷压缩机温度场对转子的振动特性影响。
6.研究了磁悬浮转子与周围气体摩擦损耗，通过抽真空法提取了负压氦气和空气的风摩损耗数值，提出了风摩损耗的修正模型，采用修正模型分离的风损与抽真空法提取的数值吻合良好，说明了修正模型的有效性。该模型为负压条件下运行的诸如冷压缩机之类的高速转子的风摩损耗研究提供了一个简便而有效的工具。
电磁轴承作为一种新型的非接触式轴承，具有低功耗、无润滑、无污染等特点，对极端高温、低温、洁净等特殊环境具有很好的适应性，非常适合用于冷压缩机的支承，但电磁轴承结构及控制更为复杂，尤其是在高转速工况下电磁轴承-转子系统动力学的相关问题仍是研究的难点之一。另外，冷压缩机作为低温旋转机械，热泄漏会导致等熵效率降低，低温端热防护也是冷压缩机研制时关注的一个难点。为了减小沿着轴向的漏热，冷压缩机采用了加长中空轴，中空段的尺寸不仅会影响隔热效果，还会影响轴承-转子系统的动力学特性。在保证轴承-转子动力学满足设计要求的前提下，实现较好的隔热效果，是冷压缩机追求的目标。基于以上目的，本文围绕冷压缩机进行了深入研究，主要包括以下几个方面:
1.研究了电磁轴承支承特性，在电磁轴承电磁力数学模型的基础上推导了电磁轴承的等效刚度系数和等效阻尼系数，分析了电磁轴承控制器参数对支承参数的影响;基于Timoshenko梁模型，建立了转子有限元模型，组装了电磁轴承-柔性转子系统运动方程，采用Matlab工具编制了电磁轴承-转子动力学程序。利用此程序对一套磁悬浮电机转子进行仿真及分析，对加工成型的磁悬浮电机进行动力学实验，实验结果显示幅频特性曲线变化趋势与动力学计算的结果一致性较好。
2.对一阶弯曲型临界转速关于冷压缩机转子中空段各尺寸参数进行了灵敏度分析，得到临界转速随着相关参数的变化规律，绘制了临界转速随中空段各尺寸参数变化的三维切片图和包络图。基于热阻网络法，以轴向热阻为轴向隔热效果的参考指标，分析了中空段尺寸参数对轴向热阻的影响规律;综合考虑动力学设计要求和隔热效果，绘制了中空段尺寸域的三维热阻切片和临界转速三维包络面综合图，从图中可以清晰地观察到满足临界转速设计要求同时轴向隔热效果较好的尺寸域，便于冷压缩机转子优化设计。
3.高速变频电机永磁体具有抗压能力强而抗拉能力弱的特点，在高转速下离心载荷产生的拉应力可能造成永磁体损坏，为了对离心载荷的拉应力进行补偿，采用合金护套对永磁体施加预压应力。研究了转速为60000rpm的冷态旋转工况不同过盈量时高速永磁电机转子中永磁体第一主应力和合金护套的冯米塞斯应力分布情况。永磁体最大第一主应力随着过盈量的增大而减小，当过盈量达到0.1mm时，最大第一主应力不再随着过盈量的增加而减小;合金护套的最大冯米塞斯等效应力随着过盈量的增加而不断增大，综合考虑，冷压缩机用高速电机转子过盈量选为0.1mm;分析了在此过盈量时高速电机转子在静止工况、冷态旋转工况、热态旋转工况三种情况下的应力分布情况，结果显示均满足设计要求。
4.采用自行编制的电磁轴承-转子动力学有限元程序，对电磁轴承支承的冷压缩机转子进行分析，结果显示临界转速满足设计要求，探讨了不平衡量大小、位置、反向涡动等因素对叶轮振动幅度的影响，对设计加工的冷压缩机进行了动力学实验，对实验结果进行了分析和讨论，结果显示满足使用要求。
5.建立了考虑轴向温度分布的转子动力学有限元模型，编制了考虑轴向温度分布的电磁轴承-转子动力学有限元程序，分析了随温度变化的弹性模量和泊松比对转子振动特性的影响。随着温度的升高，弹性模量减小，转子动力学恶化，反之则反;泊松比随着温度变化对转子振动特性的影响很小，可以忽略不计。冷压缩机转子同时存在高于和低于参考温度的轴段，通过全温度场仿真，提取转子的温度分布，利用建立的有限元程序进行数值计算，揭示了冷压缩机温度场对转子的振动特性影响。
6.研究了磁悬浮转子与周围气体摩擦损耗，通过抽真空法提取了负压氦气和空气的风摩损耗数值，提出了风摩损耗的修正模型，采用修正模型分离的风损与抽真空法提取的数值吻合良好，说明了修正模型的有效性。该模型为负压条件下运行的诸如冷压缩机之类的高速转子的风摩损耗研究提供了一个简便而有效的工具。