無軸承電機(jī)的原理及研究現(xiàn)狀
朱燒秋1，鄧志泉2，嚴(yán)仰光2，袁壽其1
(1．江蘇理工大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212 013； 2．南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210 016)
摘要：概述了傳統(tǒng)電機(jī)、磁軸承支承的電機(jī)存在的性能不足和無軸承電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，介紹了無軸承電機(jī)的基本原理、發(fā)展?fàn)顩r和關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：磁軸承；電機(jī)；無軸承電機(jī)；原理
中圖分類號：tm301. 42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)06-0029-03
1概 述
傳統(tǒng)電力拖動系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)子，是用兩個(gè)機(jī)械軸承來支承，因此轉(zhuǎn)子運(yùn)動過程中存在機(jī)械摩擦。機(jī)械摩擦不僅增加了轉(zhuǎn)子的摩擦阻力，使軸承磨損，降低軸承壽命，產(chǎn)生機(jī)械振動和噪聲，而且會造成部件發(fā)熱，使?jié)櫥瑒┬阅茏儾�，�?yán)重時(shí)會造成電機(jī)氣隙不均勻，繞組發(fā)熱，溫升增大，從而降低電機(jī)的效率，縮短電機(jī)的使用壽命。特別是在高速機(jī)床、渦輪分子泵、小型發(fā)電機(jī)、高速飛輪等裴備中需要用大功率的高速或超高速電機(jī)來驅(qū)動，用機(jī)械軸承來支承高速電機(jī)時(shí)，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)對機(jī)械軸承振動沖擊更大，機(jī)械軸承磨損更快，大幅度縮短了軸承和電機(jī)的使用壽命，為此用機(jī)械軸承來支承高速電機(jī)嚴(yán)重制約著電機(jī)向更高速度和更大功率方向發(fā)展。
為了克服機(jī)械軸承性能的不足，近20多年來發(fā)展起來的磁軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間沒有任何機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承。由于磁軸承具有無摩擦、無磨損、不需潤滑和密封、高速度、高精度、壽命長等一系列優(yōu)良品質(zhì)，從根本上改變了傳統(tǒng)的支承型式，在能源交通、航空航天、機(jī)械工業(yè)及機(jī)器人等高科技領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用前景。
圖1是由磁軸承支承的高速電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)子要實(shí)現(xiàn)完全的懸浮需要在其5個(gè)自由度上施加控制力，即需要4個(gè)徑向磁軸承和1個(gè)軸向磁軸承。一個(gè)完整的磁軸承系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子、傳感器、控制器、功率放大器和電磁鐵組成。磁軸承支承的電機(jī)雖然具有突出的優(yōu)點(diǎn)，但在不同的應(yīng)用領(lǐng)域依然存在如下問題：
①電機(jī)的輸出功率難以進(jìn)一步提高。為了提高電機(jī)的輸出功率，電機(jī)的軸向長度和徑向尺寸必須要隨之加大。由予磁軸承在軸向和徑向都占有很大一部分體積，又為了在高速時(shí)能避開轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，只能盡量控制電機(jī)本身的軸向長度，這樣就導(dǎo)致提高電機(jī)的功率比較困難；而電機(jī)的轉(zhuǎn)軸徑向尺寸則受電磁體材料機(jī)械強(qiáng)度的限制。
②磁軸承需要高品質(zhì)的控制器、高性能的功率放大器和多個(gè)造價(jià)不菲的位移傳感器等，導(dǎo)致磁軸承結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、體積較大和成本較高，大大影響了由磁軸承支承的高速電機(jī)的使用范圍和廣泛應(yīng)用。
所謂無軸承電機(jī)，并不是說不需要軸承來支承電機(jī)轉(zhuǎn)子，而是不需要設(shè)計(jì)專門的軸承。由于磁軸承結(jié)構(gòu)與交流電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的相似性，把磁軸承中產(chǎn)生徑向力的繞組疊壓到交流電機(jī)的定子繞組上，見圖2，電機(jī)繞組和徑向磁軸承繞組疊放在一起，使徑向力繞阻產(chǎn)生的磁場和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場合成一個(gè)整體，通過探索驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場和產(chǎn)生徑向懸浮力磁場的耦合情況以及解耦方法，分別實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。
無軸承電機(jī)一方面保持磁軸承支承的電機(jī)系統(tǒng)壽命長、無機(jī)械摩擦和磨損、無須潤滑等優(yōu)點(diǎn)外，還突破更高轉(zhuǎn)速和大功率的限制，拓寬了高速電機(jī)的應(yīng)用范圍，與磁軸承支承的高速電機(jī)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：
①徑向力繞組疊壓到交流電機(jī)的定子繞組上，不占用額外的軸向空間。一方面，電機(jī)軸向長度可以設(shè)計(jì)得較短，臨界轉(zhuǎn)速可以非常高，電機(jī)轉(zhuǎn)速只受材料強(qiáng)度的限制，這樣無軸承電機(jī)拓寬了高速電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是要求體積小、轉(zhuǎn)速高、壽命長的應(yīng)用領(lǐng)域，如要求無粉塵、無潤滑、小體積的計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動器、微型高速機(jī)床等；另一方面，在同樣轉(zhuǎn)軸長度的情況下，輸出功率將比磁軸承支承的電機(jī)大幅度提離。
②結(jié)構(gòu)更趨簡單，維修更為方便，特別是電能消耗減少，傳統(tǒng)的磁軸承需要靜態(tài)偏置電流產(chǎn)生電磁力來維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，而無軸承交流電機(jī)不再需要，徑向力的產(chǎn)生是基于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，徑向力控制 |
