基于無軸承永磁同步電機(jī)的發(fā)展趨勢的研究

黎亞雄

摘 要：高速電機(jī)在特種傳動、高速直驅(qū)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，正成為國際電氣工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。高速電機(jī)具有在高速運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子對機(jī)械軸承振動沖擊大，使得軸承發(fā)熱和磨損嚴(yán)重，大幅度縮短了電機(jī)與軸承的使用壽命。磁懸浮軸承能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子無摩擦、無磨損運(yùn)行，但是由磁懸浮軸承支承的高速電機(jī)軸向長度長、臨界轉(zhuǎn)速低，由磁懸浮軸承支承的高速電機(jī)難以突破轉(zhuǎn)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(jī)系統(tǒng)，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大。而無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)合了永磁同步電機(jī)和磁軸承的優(yōu)點(diǎn)，在產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的同時，還產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子懸浮的徑向懸浮力，可實(shí)現(xiàn)更大功率和更高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在未來有及其廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：無軸承；永磁同步電機(jī)；磁懸浮軸承；大功率

一、引言

高速電機(jī)是高速、高精傳動系統(tǒng)的核心，其結(jié)構(gòu)、效率、精度等決定了高速、高精傳動系統(tǒng)的綜合性能。與中、低速電機(jī)相比，高速電機(jī)具有一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。二十世紀(jì)七十年代中期，德國學(xué)者P.K. Hermann提出一種兩套繞組極對數(shù)相差為1，既可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力又能產(chǎn)生徑向懸浮力的新型電機(jī)。1985年，日本學(xué)者T. Higuchi提出了具有磁懸浮軸承功能的步進(jìn)電機(jī)。1991年，R. Schoeb首次實(shí)現(xiàn)了無軸承異步電機(jī)的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。在國內(nèi)，南京航天航空大學(xué)對無軸承異步電機(jī)、無軸承永磁同步電機(jī)、無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)等也開展了深入研究。基于現(xiàn)在已經(jīng)取得的技術(shù)，未來該技術(shù)能擴(kuò)展的更廣闊的領(lǐng)域。

二、發(fā)展趨勢

無軸承電機(jī)構(gòu)成的高速電機(jī)系統(tǒng)除具備了磁軸承支承的電機(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，還具有臨界轉(zhuǎn)速高、體積小、轉(zhuǎn)速高、精度高、壽命長，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，特別是電能消耗較小，可突破更高轉(zhuǎn)速和更大功率的限制，拓寬電機(jī)的應(yīng)用范圍。與無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)、無軸承同步磁阻電機(jī)和無軸承異步電機(jī)相比，無軸承永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、損耗小、功率密度大和效率高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，而且是由永磁體提供偏置磁場，永磁轉(zhuǎn)子中不產(chǎn)生感應(yīng)電流，懸浮控制系統(tǒng)不會產(chǎn)生相位滯后問題，易于實(shí)現(xiàn)，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(yīng)用價值。由于無軸承永磁同步電機(jī)定子中嵌入兩套繞組，懸浮力、轉(zhuǎn)矩之間存在顆合，控制系統(tǒng)復(fù)雜，目前的研究還是主要集中于懸浮機(jī)理分析等基礎(chǔ)研究方面，還未實(shí)現(xiàn)高速化、實(shí)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(jī)設(shè)計技術(shù)的研究。無軸承永磁同步電機(jī)同時存在轉(zhuǎn)矩繞組和徑向懸浮力繞組，截止目前，在設(shè)計無軸承永磁同步電機(jī)時，仍是將懸浮系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)分開單獨(dú)設(shè)計，都是借鑒傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計過程與經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)計懸浮系統(tǒng)，沒有對懸浮力繞組數(shù)、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(yōu)化原則進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。在高速、超高速情況下，還要考慮機(jī)械強(qiáng)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(jī)進(jìn)行多物理場顆合建模，探索兩套繞組與轉(zhuǎn)子永磁體一體化優(yōu)化設(shè)計方法，將對無軸承永磁同步電機(jī)的本體設(shè)計具有重大意義。

（2）數(shù)學(xué)模型的研究。無軸承永磁同步電機(jī)氣隙磁場由懸浮力繞組磁場、轉(zhuǎn)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(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)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(dú)建立轉(zhuǎn)矩繞組與懸浮力繞組數(shù)學(xué)模型，無法反映三者之間的動態(tài)非線性顆合的各種暫態(tài)過程，特別是對于無軸承永磁同步電機(jī)，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩方程等也存在一定的差異。因此要想獲得高品質(zhì)的動態(tài)控制性能，必須綜合考慮電機(jī)結(jié)構(gòu)、磁飽和、齒槽效應(yīng)、諧波和轉(zhuǎn)子偏心等，建立更加準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

（3）智能控制算法的研究。目前的無軸承永磁電機(jī)控制策略中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制與懸浮力控制之間存在非線性、強(qiáng)親合等特性，使兩者之間的控制策略相互制約，導(dǎo)致解稱算法復(fù)雜，難以實(shí)用化。因此，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和懸浮控制系統(tǒng)之間的相互獨(dú)立控制，既使懸浮控制子系統(tǒng)擺脫轉(zhuǎn)矩繞組磁場定向控制精度及其參數(shù)變化的影響，又可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制不受懸浮控制的影響，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

（4）無傳感器技術(shù)研究。現(xiàn)有的無軸承永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子徑向位移檢測都采用徑向位移傳感器檢測轉(zhuǎn)子徑向位移，系統(tǒng)價格昂貴，體積龐大，還存在走線困難等問題，所以應(yīng)大力研究徑向位移的快速、高精度在線辨識技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無軸承永磁同步電機(jī)的無傳感器運(yùn)行，對無軸承永磁同步電機(jī)實(shí)用化和集成化具有重要意義。

三、結(jié)論

對無軸承永磁同步電機(jī)無傳感器技術(shù)的研究己有相關(guān)報道，但是研究水平僅處于理論探索階段，還沒有通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究能夠快速準(zhǔn)確辨識轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子徑向位移的智能算法，對實(shí)現(xiàn)無軸承永磁同步電機(jī)高速化、實(shí)用化的重要關(guān)鍵技術(shù)。無軸承技術(shù)的優(yōu)勢在高速和超高速場合更能得到充分體現(xiàn)，但是高速和超高速無軸承永磁同步電機(jī)對數(shù)學(xué)模型的精確性、系統(tǒng)抗干擾性和穩(wěn)定性、懸浮性能要求更高，對各種工況下參數(shù)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(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性技術(shù)。由無軸承永磁同步電機(jī)組成的高速電機(jī)系統(tǒng)都含有磁懸浮軸承，同時需采用多塊逆變器對繞組進(jìn)行控制，體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行時的可靠性和穩(wěn)定性難以保證。未來研究提出一種新型的一體化結(jié)構(gòu)的五自由度無軸承電機(jī)對拓展無軸承電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

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