基于無軸承永磁同步電機的發展趨勢的研究

黎亞雄

摘 要：高速電機在特種傳動、高速直驅領域具有廣闊的應用前景，正成為國際電氣工程領域的研究熱點。高速電機具有在高速運行狀態下，電機轉子對機械軸承振動沖擊大，使得軸承發熱和磨損嚴重，大幅度縮短了電機與軸承的使用壽命。磁懸浮軸承能夠實現轉子無摩擦、無磨損運行，但是由磁懸浮軸承支承的高速電機軸向長度長、臨界轉速低，由磁懸浮軸承支承的高速電機難以突破轉速和功率的限制，同時需采用多個磁軸承單元組成高速電機系統，造成系統結構復雜、體積龐大。而無軸承永磁同步電機結合了永磁同步電機和磁軸承的優點，在產生電磁轉矩的同時，還產生使轉子懸浮的徑向懸浮力，可實現更大功率和更高轉速運行，在未來有及其廣泛的應用前景。

關鍵詞：無軸承；永磁同步電機；磁懸浮軸承；大功率

一、引言

高速電機是高速、高精傳動系統的核心，其結構、效率、精度等決定了高速、高精傳動系統的綜合性能。與中、低速電機相比，高速電機具有一系列獨特優點。二十世紀七十年代中期，德國學者P.K. Hermann提出一種兩套繞組極對數相差為1，既可以產生旋轉力又能產生徑向懸浮力的新型電機。1985年，日本學者T. Higuchi提出了具有磁懸浮軸承功能的步進電機。1991年，R. Schoeb首次實現了無軸承異步電機的穩定懸浮運行。在國內，南京航天航空大學對無軸承異步電機、無軸承永磁同步電機、無軸承開關磁阻電機等也開展了深入研究。基于現在已經取得的技術，未來該技術能擴展的更廣闊的領域。

二、發展趨勢

無軸承電機構成的高速電機系統除具備了磁軸承支承的電機系統壽命長、無機械摩擦和磨損、無須潤滑等優點外，還具有臨界轉速高、體積小、轉速高、精度高、壽命長，輸出功率大等優點，特別是電能消耗較小，可突破更高轉速和更大功率的限制，拓寬電機的應用范圍。與無軸承開關磁阻電機、無軸承同步磁阻電機和無軸承異步電機相比，無軸承永磁同步電機具有體積小、重量輕、損耗小、功率密度大和效率高等獨特優點，而且是由永磁體提供偏置磁場，永磁轉子中不產生感應電流，懸浮控制系統不會產生相位滯后問題，易于實現，可用于航空航天、高速、高精電主軸以及高速離心泵、高速飛輪儲能等，具有極高的應用價值。由于無軸承永磁同步電機定子中嵌入兩套繞組，懸浮力、轉矩之間存在顆合，控制系統復雜，目前的研究還是主要集中于懸浮機理分析等基礎研究方面，還未實現高速化、實用化，因此有必要針對以下幾個方面開展研究：

（1）無軸承永磁同步電機設計技術的研究。無軸承永磁同步電機同時存在轉矩繞組和徑向懸浮力繞組，截止目前，在設計無軸承永磁同步電機時，仍是將懸浮系統和轉矩系統分開單獨設計，都是借鑒傳統電機的設計過程與經驗公式來設計懸浮系統，沒有對懸浮力繞組數、線徑、槽滿率和懸浮力繞組功率，懸浮力與懸浮性能之間的優化原則進行系統的分析研究。在高速、超高速情況下，還要考慮機械強度、溫升和散熱、損耗和冷卻等因素，需采用大型有限元分析軟件對無軸承永磁同步電機進行多物理場顆合建模，探索兩套繞組與轉子永磁體一體化優化設計方法，將對無軸承永磁同步電機的本體設計具有重大意義。

（2）數學模型的研究。無軸承永磁同步電機氣隙磁場由懸浮力繞組磁場、轉矩繞組磁場和永磁體磁場疊加而成，三者之間存在交叉稱合，現有的數學模型推導方法主要有磁共能法、麥克斯韋張量法、有限元法等，都是分別單獨建立轉矩繞組與懸浮力繞組數學模型，無法反映三者之間的動態非線性顆合的各種暫態過程，特別是對于無軸承永磁同步電機，不同轉子結構間的懸浮性能相差很大，其磁鏈方程、電壓和電流方程、懸浮力方程和電磁轉矩方程等也存在一定的差異。因此要想獲得高品質的動態控制性能，必須綜合考慮電機結構、磁飽和、齒槽效應、諧波和轉子偏心等，建立更加準確的數學模型。

（3）智能控制算法的研究。目前的無軸承永磁電機控制策略中，電機的轉矩控制與懸浮力控制之間存在非線性、強親合等特性，使兩者之間的控制策略相互制約，導致解稱算法復雜，難以實用化。因此，實現轉矩控制系統和懸浮控制系統之間的相互獨立控制，既使懸浮控制子系統擺脫轉矩繞組磁場定向控制精度及其參數變化的影響，又可實現轉矩控制不受懸浮控制的影響，提高系統運行的可靠性和穩定性。

（4）無傳感器技術研究。現有的無軸承永磁同步電機的轉子徑向位移檢測都采用徑向位移傳感器檢測轉子徑向位移，系統價格昂貴，體積龐大，還存在走線困難等問題，所以應大力研究徑向位移的快速、高精度在線辨識技術，實現無軸承永磁同步電機的無傳感器運行，對無軸承永磁同步電機實用化和集成化具有重要意義。

三、結論

對無軸承永磁同步電機無傳感器技術的研究己有相關報道，但是研究水平僅處于理論探索階段，還沒有通過實驗驗證，研究能夠快速準確辨識轉子速度和轉子徑向位移的智能算法，對實現無軸承永磁同步電機高速化、實用化的重要關鍵技術。無軸承技術的優勢在高速和超高速場合更能得到充分體現，但是高速和超高速無軸承永磁同步電機對數學模型的精確性、系統抗干擾性和穩定性、懸浮性能要求更高，對各種工況下參數變化、磁路飽和等因素都要加以考慮，因此很有必要研究系統的可靠性和穩定性技術。由無軸承永磁同步電機組成的高速電機系統都含有磁懸浮軸承，同時需采用多塊逆變器對繞組進行控制，體積龐大，系統復雜，運行時的可靠性和穩定性難以保證。未來研究提出一種新型的一體化結構的五自由度無軸承電機對拓展無軸承電機的應用領域具有重要意義。

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