無軸承電機研究回顧、應用現(xiàn)狀與技術基礎
張漢年1，劉合祥2
（1南京信息職業(yè)技術學院電子信息學院，南京210046;2東南大學電氣工程學院，南京210096）
摘要：概述了無軸承電機的優(yōu)點，總結了無軸承電機的幾種基本結構，詳細介紹其研究進程。綜述了無軸承電機的應用現(xiàn)狀，重點論述了其在生物工程、半導體工業(yè)、食品化工以及飛輪儲能等領域的應用概況。最后總結了無軸承電機及其驅動控制的相關技術基礎。
關鍵詞：無軸承電機；研究；應用；技術基礎
中圈分類號：tm359.9 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)07-0081-04
o引言
20世紀中期以來，在離心機、高速機床等眾多場合迫切需要高速及超高速的電力傳動。此外，在生物工程、航空航天等電氣傳動領域，急切要求無污染、無摩擦的高性能電機驅動。普通機械軸承存在摩擦和磨損，由此帶來****轉速難以突破、潤滑油污染等問題，磁軸承的出現(xiàn)，滿足了高速高性能電機的支承要求。磁懸浮軸承是利用磁場力將轉子懸浮于空間，實現(xiàn)轉子和定子之間沒有任何機械接觸的一種新型軸承。它具有無潤滑、壽命長、無摩擦、無機械噪聲等優(yōu)點，但在實際運用中，磁軸承的缺陷依然存在磁軸承占據(jù)的軸向體積較大、其支承的電機結構較為復雜，另外電機的****轉速和****輸出功率也受到限制。因此，既具備普通交流電機特點，又兼?zhèn)浯泡S承優(yōu)良性能為一體的新型電機無軸承電機應運而生。無軸承電機是一種新型的高技術含量、高附加值的機電能量轉換裝置，開創(chuàng)了高速電機驅動的新紀元。
1基奉結構
無軸承電機是在磁懸浮軸承原理基礎上研制出來的，它將磁軸承中產生徑向懸浮力的繞組疊加到電機定子上，只要確保電機轉矩繞組產生的磁場極對數(shù)p，與徑向懸浮力繞組產生的磁場極對數(shù)p2滿足關系武；p2= pi±1，電機便不僅能產生電磁轉矩，還能產生徑向懸浮力。無軸承電機的一個轉子要實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮需要對五個自由度進行控制，也就是說要支承無軸承電機的一個轉子需要兩個無軸承電機單元和一個軸向磁軸承，其中兩個無軸承電機單元的結構完全一樣。
圖1為傳統(tǒng)機械軸承支承的電機結構圖。磁軸承支承的電機結構形式有多種，圖2為其中一種，這種結構的電機其轉子完全懸浮需由兩個徑向磁軸承和一個軸向磁軸承，電機部分只產生電磁轉矩。
圖3為無軸承電機結構圖，其軸向自由度由磁軸承來控制，徑向磁軸承的功能由電機來實現(xiàn)，與圖2相比，其結構得到了簡化。
圖4為徑向軸向三自由度混合磁軸承支承的無軸承電機結構圖，與圖3相比，其結構形式得到了進一步簡化。
圖5為無軸承薄片電機結構圖，其轉子軸向長度與其直徑相比很小，僅有一個無軸承電機單元即可實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，該類無軸承電機結構最為緊湊和簡單，****推廣應用價值。
2研究進程
20世紀70年代，英國學者hermann提出了一種極對數(shù)分別為p和p+2的雙繞組定子結構，且具有自懸浮能力的電磁裝置。與此同時，美國學者meinke提出了另外一種分離繞組的磁懸浮裝置。1985年，日本學者higuchi提出了步進型磁懸浮電動機。1988年，瑞士學者bosch發(fā)明了具有軸向推力的薄片磁懸浮電機，并首次提出了“無軸承電機”這個概念。
1990年，日本東京理工大學的chiba等學者首次實現(xiàn)同步磁阻電機酌無軸承技術。圖6為同步磁阻型無軸承電機樣機部件圖，圖中1為輔助機械軸承1，2、3分別為樣機定子、轉子，4為轉子角度測量器及其緊固鑄件。
1993年，蘇黎世聯(lián)邦工學院的schob首次實現(xiàn)了交流感應電機的無軸承技術，圖7為無軸承感應電機實物圖。幾乎與此同時，開關磁阻型無軸承電機和永磁型無軸承電機也相繼研制成功。1995年之后，無軸承電機的研究開始邁入實用 |
