摘要：無軸承永磁同步電機(jī)是采用了無軸承技術(shù)的高性能永磁同步電機(jī)，同時(shí)具備永磁同步電機(jī)的優(yōu)良特性與磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)。闡述了轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)為2，懸浮力繞組極對(duì)數(shù)為3的無軸承永磁同步電機(jī)懸浮力產(chǎn)生原理，總結(jié)了目前國(guó)際國(guó)內(nèi)無軸承永磁同步電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)與控制優(yōu)化提供重要參考。分析了無軸承永磁同步電機(jī)研究發(fā)展趨勢(shì)，為無軸承永磁同步電機(jī)進(jìn)一步研究指明方向。

關(guān)鍵詞：無軸承電機(jī)；永磁同步電機(jī)；電機(jī)結(jié)構(gòu)；控制策略；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：tm341；tm351    文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a    文章編號(hào)：1001-6848(2010)02-0077-06

  磁懸浮技術(shù)是指借助磁場(chǎng)力將被控對(duì)象（轉(zhuǎn)子）置于非機(jī)械接魅狀態(tài)的技術(shù)。該技術(shù)主要理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)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(hào)處理器件得以實(shí)現(xiàn)。目前，磁懸浮技術(shù)主要應(yīng)用于磁懸浮列車、磁懸浮軸承與無軸承電機(jī)等領(lǐng)域。

  磁懸浮軸承是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間沒有任何機(jī)械接觸的新型高性能軸承口，對(duì)磁懸浮袖承的研究已有150多年的歷史，磁懸浮軸承無機(jī)械摩擦，能夠避免在轉(zhuǎn)子超高速旋轉(zhuǎn)情況下劇烈的機(jī)械磨損。并且無需潤(rùn)滑，無污染，適用于超潔凈環(huán)境，而且壽命較長(zhǎng)，對(duì)于維護(hù)困難的場(chǎng)合較為適用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)其做過全面而深入的研究，在能源交通、機(jī)械加工工業(yè)、航空航天及機(jī)器人等高速領(lǐng)域獲得了實(shí)際應(yīng)用。但在實(shí)際運(yùn)用中，磁懸浮軸承系統(tǒng)存在以下問題：

    ①輸出功率難以進(jìn)一步提高。為了提高電機(jī)的輸出功率，必須要加大電機(jī)的軸向長(zhǎng)度和徑向長(zhǎng)度。但是電機(jī)兩端磁懸浮軸承本身占有一定的軸向長(zhǎng)度，電機(jī)軸向尺寸較大而降低了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，這導(dǎo)致電機(jī)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(jī)械強(qiáng)度的限制，同時(shí)徑向尺寸增加勢(shì)必使磁懸浮軸承體積增加，磁懸浮軸承支承的電機(jī)的體積就會(huì)增大許多；為了高速時(shí)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(jī)本身的軸向長(zhǎng)度。

   ②磁懸浮軸承需要一定數(shù)量的勵(lì)磁線圈，高性能的功率放大器和造價(jià)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(jī)在大功率和微型應(yīng)用場(chǎng)合受限制。

   磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)和交流電機(jī)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(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的繞組一起嵌入到電機(jī)定子槽中，使懸浮力繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)合成一個(gè)整體，采用磁場(chǎng)定向控制策略分別獨(dú)立控制電機(jī)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(jī)在電機(jī)兩端的磁軸承所占的軸向空間，這就是無軸承電機(jī)的基本思。

  無軸承永磁同步電機(jī)是在永磁同步電機(jī)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了無軸承化的一種性能優(yōu)良的無軸承電機(jī)，繼承了永磁同步電機(jī)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(jī)械摩擦、無需潤(rùn)滑、無污染、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)的特點(diǎn)。在僅有三個(gè)自由度主動(dòng)控制的永磁薄片轉(zhuǎn)子式無軸承承電機(jī)的應(yīng)用（包括泵類應(yīng)用）中，需要采用較強(qiáng)的勵(lì)磁方式以建立電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，此時(shí)，無軸承永磁同步電機(jī)較其它類型的電機(jī)具有更高的使用和應(yīng)用價(jià)值。雖然無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的存在使得電機(jī)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(lì)磁分量而相應(yīng)減小，因此，電機(jī)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(jī)具有更廣闊的應(yīng)用前景。

    本文以無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)pm=2，懸浮力繞組極對(duì)數(shù)pb =3的為研究對(duì)象[4.8]。無軸承永磁同步電機(jī)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(jī)永磁體激勵(lì)的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)矩繞組激勵(lì)的磁場(chǎng)進(jìn)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(lì)的磁場(chǎng)也等效為如圖1中小尺寸繞組的電流，此時(shí)，無軸承永磁同步電機(jī)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。