無軸承無刷直流電機關鍵技術應用現狀

摘 要：無軸承無刷直流電機是一種新型的高性能電機，具備無摩擦、無磨損、高速度、壽命長、效率高、體積小、結構簡單等特點。本文詳細總結了無軸承無刷直流電機的關鍵技術，為進一步開展無軸承無刷直流電機的研究提供參考。

關鍵詞：無軸承無刷直流電機；電機結構；控制策略；無傳感技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.177

0 引言

無軸承無刷直流電機是一種將無刷直流電機和和磁軸承相兩者功能相結合，不僅具備無刷直流電機結構簡單、調速范圍廣等特點，還具備無軸承電機無需潤滑、無摩擦磨損、無噪音、轉速高、壽命長等多種優點，具有廣泛的應用價值。

1 關鍵技術研究狀況

1.1 電機結構及參數的優化設計

無軸承無刷直流電機的構造和以往的無刷直流電機相似，研究工作主要集中在電機定子結構的參數優化，轉子永磁體材料、充磁方式和永磁體安置方式，轉矩繞組和懸浮力繞組的繞組分布等方面，一些新型的電機甚至將轉矩繞組和懸浮力繞組集成為一套繞組，以簡化電機結構[1]。目前對于無軸承無刷直流電機并沒有一種統一的結構，如何增加懸浮力，提高懸浮力性能，提高轉速，減小轉矩脈動，提高電機的穩定性將成為下一步研究的主要問題所在。

1.2 控制策略的應用

當前工業領域，科學的控制策略對提升電機性能方面具有不可或缺的功能。無軸承無刷直流電機屬于具有代表性的非線性、多變量、強耦合的體系，傳統的PID控制在工業領域中比較普遍，伴隨控制理論與智能控制理論非線性控制方式的推出與使用，控制體系的穩定性與動態程度都獲得了顯著的提升[2]。模糊控制、自適應控制、神經網絡控制、魯棒控制等新推行的策略早已被運用到無軸承無刷直流電機的控制中，然而以上新推行的策略較為復雜，實現較為困難，需要進一步的探究，進而讓無軸承無刷直流電機控制體系變得更為精致、智能、便捷以及高效。

1.3 無傳感技術的應用

無傳感技術在無軸承無刷直流電機中應用主要集中在轉子角位置和徑向位置的檢測上。對于轉子角位置的無位置傳感技術與傳統的無刷直流電機相同，主要方法包括：反電動勢法、電感法、磁鏈法、續流二極管法、變電機結構法、觀測器估計法和智能估計法等，其中反電動勢法原理簡單、實現方便，得到了廣泛的應用。在轉子徑向位置的檢測中，一般采用電渦流位移傳感器進行直接檢測，但是電渦流傳感器造價昂貴，在一般的位移檢測中，x和y方向各需要兩個電渦流傳感器形成差動電路，以減小誤差提高精度，這將大大增加電機的投入，對工業領域造成了嚴重的影響。所以，對此類電機無位置傳感技術的深入研究不僅可以降低電機制造的成本，提高電機運行的可靠性，更能為工業化發展奠定一定的基礎[3]。

2 無軸承無刷直流電機應用趨勢

2.1 生命科學領域

血液泵可以較好地替代心臟工作的變速、變容量，它具有體積小、效果好的特點。根據輔助模式的差異，可將其劃分成人工心臟泵與心室輔助設備。選擇磁懸浮技術的血液泵能夠降低細胞受到的傷害和溶血、血栓的出現。

2.2 飛輪儲能領域

飛輪儲能屬于一類通過電動機推動飛輪轉子高速運行，把動能轉變成機械能的儲存設備。在能量轉換的過程中，借助飛輪自身的慣性推動發電機釋放出電能。電機是飛輪儲能裝置內實現能量轉化的重要組成部分，對整體而言不可或缺。飛輪驅動電機具備轉速高、運行穩定、生命周期長等優勢[4]。磁阻電機噪音大、轉矩脈動大、功率因數低，在當作發電機時要借助外部勵磁。異步電機不適應高度運轉、轉子轉差損耗大、控制復雜。該領域大多數專業人士會選擇永磁無刷直流電機，這是由于無刷直流電機的優勢比較顯著，如構造單一、便捷性高、啟動轉矩大等。無軸承無刷直流電機不但具備以上優勢，而且還可以降低傳統機械軸承之間的摩擦力，能夠大幅度提升飛輪儲能的效率。

2.3 高速、超高速電機

對于高速、超高速電機來說，其速度能夠到達一分鐘少至幾萬多至幾十萬轉的速度，這勢必能夠變成無軸承電機的施展拳腳的主要區域?，F階段，在計算機硬盤領域的運用比較常見，它能夠促使硬盤盤片轉動，是通過流體動態軸承FDB（Fluld Dynmaci Bearnig）提供的支撐作用。怎樣提升電機轉動速度也就是提升硬盤速度變成了改善硬盤性能的重要內容，而這種電機憑借自身沒有摩擦損傷以及較高的轉動速度等優勢，在硬盤領域備受青睞。

2.4 航空領域

這種電機憑借自身沒有摩擦損傷以及較高的轉動速度等優勢，能夠降低液壓氣壓體系的運用，進而減輕了航空電機自身的重量，提升了轉動速度，讓電機構造更為單一，生命周期得以拉伸，能夠較好地滿足航空領域的要求。

3 結束語

無軸承無刷直流電機作為一種新型的高性能電機，同時具備無刷直流電機和磁軸承的優點，潛在的應用前景十分廣闊。本文對其無軸承無刷直流電機的關鍵技術進行總結，并分析了無軸承無刷直流電機的應用前景和發展趨勢，為無軸承無刷直流電機的進一步研究奠定了理論基礎。

參考文獻：

[1]戈素貞.新型無軸承無刷直流電動機結構與模型研究[J].農業工程學報，2008，24（02）：131-135.

[2]許潔，劉賢興，李兵偉.無軸承無刷直流電機的直接轉矩控制[J].江蘇科技大學學報（自然科學版），2012，26（03）：266-270.

[3]黃雷，趙光宙，年珩等.永磁型無軸承電機懸浮系統的H∞魯棒控制[J].控制理論與應用，2008，25（04）：711-716.

[4]徐衍亮，趙建輝，房建成.高速儲能飛輪用無鐵心永磁無刷直流電動機的分析與設計[J].電工技術學報，2014，19（12）：24-28.

作者簡介：劉奕辰（1991-），男，江蘇靖江人，碩士。