基于无轴承永磁同步电机的发展趋势的研究

黎亚雄

摘 要：高速电机在特种传动、高速直驱领域具有广阔的应用前景，正成为国际电气工程领域的研究热点。高速电机具有在高速运行状态下，电机转子对机械轴承振动冲击大，使得轴承发热和磨损严重，大幅度缩短了电机与轴承的使用寿命。磁悬浮轴承能够实现转子无摩擦、无磨损运行，但是由磁悬浮轴承支承的高速电机轴向长度长、临界转速低，由磁悬浮轴承支承的高速电机难以突破转速和功率的限制，同时需采用多个磁轴承单元组成高速电机系统，造成系统结构复杂、体积庞大。而无轴承永磁同步电机结合了永磁同步电机和磁轴承的优点，在产生电磁转矩的同时，还产生使转子悬浮的径向悬浮力，可实现更大功率和更高转速运行，在未来有及其广泛的应用前景。

关键词：无轴承；永磁同步电机；磁悬浮轴承；大功率

一、引言

高速电机是高速、高精传动系统的核心，其结构、效率、精度等决定了高速、高精传动系统的综合性能。与中、低速电机相比，高速电机具有一系列独特优点。二十世纪七十年代中期，德国学者P.K. Hermann提出一种两套绕组极对数相差为1，既可以产生旋转力又能产生径向悬浮力的新型电机。1985年，日本学者T. Higuchi提出了具有磁悬浮轴承功能的步进电机。1991年，R. Schoeb首次实现了无轴承异步电机的稳定悬浮运行。在国内，南京航天航空大学对无轴承异步电机、无轴承永磁同步电机、无轴承开关磁阻电机等也开展了深入研究。基于现在已经取得的技术，未来该技术能扩展的更广阔的领域。

二、发展趋势

无轴承电机构成的高速电机系统除具备了磁轴承支承的电机系统寿命长、无机械摩擦和磨损、无须润滑等优点外，还具有临界转速高、体积小、转速高、精度高、寿命长，输出功率大等优点，特别是电能消耗较小，可突破更高转速和更大功率的限制，拓宽电机的应用范围。与无轴承开关磁阻电机、无轴承同步磁阻电机和无轴承异步电机相比，无轴承永磁同步电机具有体积小、重量轻、损耗小、功率密度大和效率高等独特优点，而且是由永磁体提供偏置磁场，永磁转子中不产生感应电流，悬浮控制系统不会产生相位滞后问题，易于实现，可用于航空航天、高速、高精电主轴以及高速离心泵、高速飞轮储能等，具有极高的应用价值。由于无轴承永磁同步电机定子中嵌入两套绕组，悬浮力、转矩之间存在顆合，控制系统复杂，目前的研究还是主要集中于悬浮机理分析等基础研究方面，还未实现高速化、实用化，因此有必要针对以下几个方面开展研究：

（1）无轴承永磁同步电机设计技术的研究。无轴承永磁同步电机同时存在转矩绕组和径向悬浮力绕组，截止目前，在设计无轴承永磁同步电机时，仍是将悬浮系统和转矩系统分开单独设计，都是借鉴传统电机的设计过程与经验公式来设计悬浮系统，没有对悬浮力绕组数、线径、槽满率和悬浮力绕组功率，悬浮力与悬浮性能之间的优化原则进行系统的分析研究。在高速、超高速情况下，还要考虑机械强度、温升和散热、损耗和冷却等因素，需采用大型有限元分析软件对无轴承永磁同步电机进行多物理场顆合建模，探索两套绕组与转子永磁体一体化优化设计方法，将对无轴承永磁同步电机的本体设计具有重大意义。

（2）数学模型的研究。无轴承永磁同步电机气隙磁场由悬浮力绕组磁场、转矩绕组磁场和永磁体磁场叠加而成，三者之间存在交叉稱合，现有的数学模型推导方法主要有磁共能法、麦克斯韦张量法、有限元法等，都是分别单独建立转矩绕组与悬浮力绕组数学模型，无法反映三者之间的动态非线性顆合的各种暂态过程，特别是对于无轴承永磁同步电机，不同转子结构间的悬浮性能相差很大，其磁链方程、电压和电流方程、悬浮力方程和电磁转矩方程等也存在一定的差异。因此要想获得高品质的动态控制性能，必须综合考虑电机结构、磁饱和、齿槽效应、谐波和转子偏心等，建立更加准确的数学模型。

（3）智能控制算法的研究。目前的无轴承永磁电机控制策略中，电机的转矩控制与悬浮力控制之间存在非线性、强親合等特性，使两者之间的控制策略相互制约，导致解稱算法复杂，难以实用化。因此，实现转矩控制系统和悬浮控制系统之间的相互独立控制，既使悬浮控制子系统摆脱转矩绕组磁场定向控制精度及其参数变化的影响，又可实现转矩控制不受悬浮控制的影响，提高系统运行的可靠性和稳定性。

（4）无传感器技术研究。现有的无轴承永磁同步电机的转子径向位移检测都采用径向位移传感器检测转子径向位移，系统价格昂贵，体积庞大，还存在走线困难等问题，所以应大力研究径向位移的快速、高精度在线辨识技术，实现无轴承永磁同步电机的无传感器运行，对无轴承永磁同步电机实用化和集成化具有重要意义。

三、结论

对无轴承永磁同步电机无传感器技术的研究己有相关报道，但是研究水平仅处于理论探索阶段，还没有通过实验验证，研究能够快速准确辨识转子速度和转子径向位移的智能算法，对实现无轴承永磁同步电机高速化、实用化的重要关键技术。无轴承技术的优势在高速和超高速场合更能得到充分体现，但是高速和超高速无轴承永磁同步电机对数学模型的精确性、系统抗干扰性和稳定性、悬浮性能要求更高，对各种工况下参数变化、磁路饱和等因素都要加以考虑，因此很有必要研究系统的可靠性和稳定性技术。由无轴承永磁同步电机组成的高速电机系统都含有磁悬浮轴承，同时需采用多块逆变器对绕组进行控制，体积庞大，系统复杂，运行时的可靠性和稳定性难以保证。未来研究提出一种新型的一体化结构的五自由度无轴承电机对拓展无轴承电机的应用领域具有重要意义。

参考文献：

[1]朱煶秋，张伟霞，费德成，等.磁悬浮无轴承电机发展、应用和前景[J].微特电机，2006，3：39-41

[2]刘泽远，邓智泉，曹鑫，等.全周期无轴承开关磁阻发电机的设计[J].中国电机工程学报，2011， 31（12）： 72-83.

[3]廖启新，邓智泉，王晓琳.无轴承薄片电机磁体形状优化设计及系统实现[J].中国电机工程学报，2011，31（12）： 28-32.