無軸承永磁同步電機原理及研究發(fā)展趨勢
朱熀秋，周劍，魏勁夫，成秋良
（江蘇大學電氣信息工程學院，鎮(zhèn)江212013）
摘要：無軸承永磁同步電機是采用了無軸承技術(shù)的高性能永磁同步電機，同時具備永磁同步電機的優(yōu)良特性與磁懸浮軸承的優(yōu)點。闡述了轉(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)為2，懸浮力繞組極對數(shù)為3的無軸承永磁同步電機懸浮力產(chǎn)生原理，總結(jié)了目前國際國內(nèi)無軸承永磁同步電機在結(jié)構(gòu)方面與控制策略方面的研究成果，為無軸承永磁同步電機結(jié)構(gòu)改進與控制優(yōu)化提供重要參考。分析了無軸承永磁同步電機研究發(fā)展趨勢，為無軸承永磁同步電機進一步研究指明方向。
關鍵詞：無軸承電機；永磁同步電機；電機結(jié)構(gòu)；控制策略；發(fā)展趨勢
中圖分類號：tm341；tm351 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)02-0077-06
0引 言
磁懸浮技術(shù)是指借助磁場力將被控對象（轉(zhuǎn)子）置于非機械接魅狀態(tài)的技術(shù)。該技術(shù)主要理論基礎是電磁場理論、電力電子技術(shù)及控制理論，依托現(xiàn)代電力電子器件及信號處理器件得以實現(xiàn)。目前，磁懸浮技術(shù)主要應用于磁懸浮列車、磁懸浮軸承與無軸承電機等領域。
磁懸浮軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間沒有任何機械接觸的新型高性能軸承口，對磁懸浮袖承的研究已有150多年的歷史，磁懸浮軸承無機械摩擦，能夠避免在轉(zhuǎn)子超高速旋轉(zhuǎn)情況下劇烈的機械磨損。并且無需潤滑，無污染，適用于超潔凈環(huán)境，而且壽命較長，對于維護困難的場合較為適用，國內(nèi)外學者已對其做過全面而深入的研究，在能源交通、機械加工工業(yè)、航空航天及機器人等高速領域獲得了實際應用。但在實際運用中，磁懸浮軸承系統(tǒng)存在以下問題：
①輸出功率難以進一步提高。為了提高電機的輸出功率，必須要加大電機的軸向長度和徑向長度。但是電機兩端磁懸浮軸承本身占有一定的軸向長度，電機軸向尺寸較大而降低了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，這導致電機功率的提高主要依賴徑向尺寸的增加，而轉(zhuǎn)軸徑尺寸受材料機械強度的限制，同時徑向尺寸增加勢必使磁懸浮軸承體積增加，磁懸浮軸承支承的電機的體積就會增大許多；為了高速時能避開轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速（以免引起轉(zhuǎn)軸的共振），只能盡量控制電機本身的軸向長度。
②磁懸浮軸承需要一定數(shù)量的勵磁線圈，高性能的功率放大器和造價不菲的位移傳感器，由于成本和體積的原因，使得磁懸浮軸承支承的高速電機在大功率和微型應用場合受限制。
磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)和交流電機定子結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，如果把磁懸浮軸承中產(chǎn)生懸浮力的繞組和交流電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的繞組一起嵌入到電機定子槽中，使懸浮力繞組產(chǎn)生的磁場和電機轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場合成一個整體，采用磁場定向控制策略分別獨立控制電機的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定懸浮，這樣就可以減小磁懸浮軸承支承高速電機在電機兩端的磁軸承所占的軸向空間，這就是無軸承電機的基本思。
無軸承永磁同步電機是在永磁同步電機基礎上實現(xiàn)了無軸承化的一種性能優(yōu)良的無軸承電機，繼承了永磁同步電機功率密度大、功率因數(shù)高、效率高的優(yōu)良性能，并具備了磁懸浮軸承無機械摩擦、無需潤滑、無污染、壽命長、免維護的特點。在僅有三個自由度主動控制的永磁薄片轉(zhuǎn)子式無軸承承電機的應用（包括泵類應用）中，需要采用較強的勵磁方式以建立電機氣隙磁場，此時，無軸承永磁同步電機較其它類型的電機具有更高的使用和應用價值。雖然無軸承永磁同步電機轉(zhuǎn)子永磁體的存在使得電機的電氣氣隙寬度增加，從而需要采用較大的懸浮力繞組電流，但是轉(zhuǎn)矩繞組電流由于不再需要較大的勵磁分量而相應減小，因此，電機總的需求伏安(va)數(shù)增加并不多。因此，無軸承永磁同步電機具有更廣闊的應用前景。
1 無軸承永磁同步電機懸浮力產(chǎn)生機理
本文以無軸承永磁同步電機轉(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)pm=2，懸浮力繞組極對數(shù)pb =3的為研究對象[4.8]。無軸承永磁同步電機徑向力由三部分構(gòu)成：麥克斯韋力、洛侖茲力與由于轉(zhuǎn)子偏心而引入的徑向力。將無軸承永磁同步電機永磁體激勵的磁場與轉(zhuǎn)矩繞組激勵的磁場進行合成并等效為如圖1中大尺寸繞組的電流，懸浮力繞組激勵的磁場也等效為如圖1中小尺寸繞組的電流，此時，無軸承永磁同步電機內(nèi)麥克斯韋力合力與產(chǎn)生徑向力的洛侖茲力的產(chǎn)生情況如圖l所示。
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