航空航天新型電機(jī)發(fā)展及應(yīng)用分析

金　雯，王　卿，周　楊，曹　寬

（1.中國(guó)航天科技集團(tuán)第十六研究所，西安710100；2.西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710129）

航空航天新型電機(jī)發(fā)展及應(yīng)用分析

金雯1，王卿1，周楊2，曹寬1

（1.中國(guó)航天科技集團(tuán)第十六研究所，西安710100；2.西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710129）

近幾年隨著航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)航空航天用電機(jī)的要求也在不斷提高，隨之便產(chǎn)生了一批新型電機(jī)。其中，比較具有代表性的有超聲波電機(jī)、磁懸浮電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，分別對(duì)這三種電機(jī)進(jìn)行了概念以及原理的表述。接下來(lái)分析了這三種電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)以及其分類(lèi)方式，并評(píng)價(jià)了其研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用領(lǐng)域。最后著重總結(jié)了這三種新型電機(jī)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行展望。

航空航天；超聲波電機(jī)；磁懸浮電機(jī)；開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

0 引言

隨著先進(jìn)的控制理論不斷深入和優(yōu)化，智能功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)、集成電路技術(shù)、傳感器技術(shù)和集成電機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的突破與發(fā)展，高性能的伺服控制系統(tǒng)成為了現(xiàn)實(shí)。電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展更是日新月異。傳統(tǒng)的電磁電機(jī)在一些場(chǎng)合已無(wú)法適應(yīng)“更快、更機(jī)動(dòng)、更高、更準(zhǔn)”的要求，而超聲波電機(jī)、磁懸浮電機(jī)等新型電機(jī)恰好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電磁電機(jī)的缺陷。新型電機(jī)與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且緊湊、大扭矩、響應(yīng)快、可實(shí)現(xiàn)高精度的控制、不受電磁場(chǎng)影響、斷電自鎖力矩大等特點(diǎn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，新型電機(jī)在未來(lái)某些領(lǐng)域內(nèi)必將替代傳統(tǒng)電磁式電機(jī)，成為發(fā)展主流。

1 超聲波電機(jī)

1.1概念及原理

施加在異極晶體上的應(yīng)力會(huì)在晶體中誘發(fā)出電場(chǎng)，這一現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)；反之，若在異極晶體上施加電場(chǎng)，該晶體會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變或應(yīng)力，這一現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是這二者的總稱(chēng)。

超聲波電動(dòng)機(jī)（Ultrasonic Motor，USM）是一種新型的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從運(yùn)動(dòng)原理上講，它利用了壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)定子彈性體在超聲頻域內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)而工作。從運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上講，超聲波電機(jī)的定子高頻振動(dòng)才是其動(dòng)力來(lái)源，而非傳統(tǒng)電磁式電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)［1］。由于其定子高頻振動(dòng)的頻率通常在18KHz以上的超聲頻段，超聲波電機(jī)得名于此。

超聲波電機(jī)的定轉(zhuǎn)子直接接觸憑借相互之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，將交變的電壓施加在定子上的壓電陶瓷元件上，激發(fā)定子彈性體的機(jī)械振動(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子的接觸摩擦耦合，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子定向運(yùn)動(dòng)。

1.2主要優(yōu)缺點(diǎn)

超聲波電機(jī)憑借自身功率密度大、低速大轉(zhuǎn)矩、無(wú)電磁干擾、無(wú)輸入自鎖等優(yōu)良特性在航空航天領(lǐng)域、精密控制領(lǐng)域、非連續(xù)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域等高精尖領(lǐng)域內(nèi)均有運(yùn)用，而且在某些極端環(huán)境中，超聲波電機(jī)所表現(xiàn)出的優(yōu)良特性是傳統(tǒng)電磁式電機(jī)無(wú)法匹敵的。從發(fā)展趨勢(shì)上來(lái)看，超聲波電機(jī)在各種高精尖領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景光明，在未來(lái)很有發(fā)展?jié)摿?。超聲波電機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)是:

（1）低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩

超聲波電機(jī)定子彈性體與轉(zhuǎn)子之間通過(guò)摩擦耦合傳遞完成能量傳遞，這一點(diǎn)決定了超聲波電機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速的電機(jī)［3］，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩密度一般是電磁電機(jī)的8倍以上，如表1所示［4］。所以超聲波電機(jī)可以直接帶負(fù)載而無(wú)需配套的減速裝置，從整個(gè)伺服系統(tǒng)層面上來(lái)看，減少體積質(zhì)量，提高可靠性，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性［2］。

（2）無(wú)電磁噪聲，電磁兼容性好

從超聲波電機(jī)工作原理可以得知，電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間通過(guò)接觸摩擦力耦合傳遞能量，電機(jī)工作時(shí)不會(huì)向外界產(chǎn)生電磁干擾，同時(shí)也不會(huì)受到外界電磁波的干擾［1］，特別適用于電磁兼容性要求嚴(yán)苛的環(huán)境中，如航空航天用精密儀器中、光學(xué)系統(tǒng)中等。

（3）無(wú)源自鎖性，響應(yīng)時(shí)間短

傳統(tǒng)電磁式電機(jī)如無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）斷電后，定子繞組中沒(méi)有電流，從而無(wú)法產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩，用在伺服系統(tǒng)中時(shí)，需要額外添加轉(zhuǎn)子定位設(shè)備，使系統(tǒng)體積增大，可靠性降低。

而超聲波電機(jī)斷電后，由于定轉(zhuǎn)子之間直接接觸，有靜摩擦力存在，電機(jī)便具有了較大的保持力矩，可以不添加任何額外裝置實(shí)現(xiàn)自鎖功能，大大簡(jiǎn)化了定位控制［1］。

除此之外，與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比，超聲波電機(jī)空載轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)子慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅為1ms甚至更少。例如Cranfield的模型超聲波電機(jī)靜止到全速僅需0.5ms，并且能在0.1ms內(nèi)停止［2］。優(yōu)越的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性使得在一些閉環(huán)位置伺服控制中，超聲波電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)納米的分辨率。

（4）耐低溫和耐真空，適合太空環(huán)境

超聲波電機(jī)本身所帶的壓電陶瓷以及其驅(qū)動(dòng)控制裝置的耐低溫、真空的特性，可以將其應(yīng)用在宇航機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置［1］。在航空航天領(lǐng)域極端惡劣的條件下，超聲波電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)更加凸顯。

表1　超聲波電機(jī)與直流電磁式電機(jī)性能對(duì)比Table 1 Performance comparison between ultrasonic motor and DC motor

續(xù)表

但同時(shí)超聲波電機(jī)也具有一定的局限性，相較于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，超聲波電機(jī)的主要缺點(diǎn)是:

（1）輸出功率小、轉(zhuǎn)換效率低

由于超聲波電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，存在兩種形式的能量轉(zhuǎn)換，一是壓電陶瓷將外界施加的交變電壓利用逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化成為機(jī)械振動(dòng)；另一種是定轉(zhuǎn)子通過(guò)摩擦耦合將振動(dòng)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的軸向輸出［1］。兩次能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中損耗都比較大，造成電機(jī)整體效率低。同時(shí)由于工藝等各項(xiàng)技術(shù)的原因，超聲波電機(jī)目前的功率級(jí)別在1kW左右，在很多大功率場(chǎng)合不適用。

（2）定轉(zhuǎn)子界面磨損嚴(yán)重，振動(dòng)導(dǎo)致疲勞損壞

由于正常工作時(shí)，定子的超聲振動(dòng)頻率很高，一是會(huì)給粘接在定子表面的壓電陶瓷帶來(lái)振動(dòng)沖擊，有可能導(dǎo)致其脫落甚至斷裂；二是長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)給電機(jī)整體帶來(lái)疲勞損耗。綜合上述因素，超聲波電機(jī)的壽命通常較短。

（3）需要專(zhuān)用高頻電源

由于超聲波電機(jī)工作在超聲頻域范圍內(nèi)，必須用專(zhuān)用的高頻激勵(lì)電源供給壓電材料，使其能夠激發(fā)出晶體的超聲振動(dòng)并且提高轉(zhuǎn)換效率。通常這種高頻電源造價(jià)很貴很難取得，而不像傳統(tǒng)電磁式電機(jī)采用直流電或者工頻交流電，極易獲得。

1.3超聲波電機(jī)的分類(lèi)

從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，陸續(xù)出現(xiàn)了多種原理、形式的超聲波電機(jī)，但是其分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不明。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，總結(jié)出前人大體上根據(jù)壓電激勵(lì)模式、結(jié)構(gòu)形式、功能及應(yīng)用場(chǎng)合等將超聲波電機(jī)分為不同種類(lèi)［3-5］。

如果根據(jù)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式來(lái)分類(lèi)，超聲波電機(jī)可以分為行波型、駐波型和電致伸縮公轉(zhuǎn)子型［1］。行波型電機(jī)根據(jù)其振動(dòng)模式不同可以分為同型簡(jiǎn)并模式和單一振動(dòng)模式；駐波型電機(jī)根據(jù)其振動(dòng)模式不同可以分為異型簡(jiǎn)并模式、單一振動(dòng)模式和多模態(tài)振動(dòng)方式。

如果根據(jù)機(jī)械振動(dòng)獲取方式不同來(lái)分類(lèi)，超聲波電機(jī)可以分為非諧振驅(qū)動(dòng)和諧振驅(qū)動(dòng)兩種類(lèi)型［1］。其中，非諧振驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)可以分為蠕動(dòng)電機(jī)和慣量電機(jī)；諧振驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)可以分為模態(tài)轉(zhuǎn)換電機(jī)和混合換能電機(jī)。

目前，最具代表性的一種超聲波電機(jī)是旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電機(jī)［6］。其顯著特點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速、大力矩、可用于直接驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電磁兼容性好并具有斷電自鎖等功能［7］，特別適用于?。ㄎⅲ┬突熬苎b置的驅(qū)動(dòng)和控制，尤其是在航天、醫(yī)療、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等一些對(duì)磁場(chǎng)敏感或有高定位精度要求的領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景［8］。

1.4超聲波電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

超聲波電機(jī)在光學(xué)領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、精密位置伺服領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、汽車(chē)領(lǐng)域內(nèi)的特定場(chǎng)合下均有不俗的表現(xiàn)，尤其是在光學(xué)領(lǐng)域的相機(jī)調(diào)焦方向和航空航天領(lǐng)域太空機(jī)器人方向［1］已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用案例。也正是由于超聲波電機(jī)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，使得人們看到了它的發(fā)展?jié)摿?。下面列舉超聲波電機(jī)在光學(xué)領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用:

（1）相機(jī)調(diào)焦

20世紀(jì)80年代初，日本佳能公司就開(kāi)始致力于研究超聲波電機(jī)在照相機(jī)鏡頭調(diào)焦中的應(yīng)用。1987年，佳能公司成功將超聲波電機(jī)應(yīng)用到EOS系列照相機(jī)配用的鏡頭上［9］。20世紀(jì)90年代中期，尼康公司也成功將超聲波電機(jī)應(yīng)用在照相機(jī)鏡頭調(diào)焦上。西格瑪公司將USM應(yīng)用在大口徑望遠(yuǎn)鏡上［1］。

（2）核磁共振裝置

由于核磁共振裝置在實(shí)際應(yīng)用中，線圈周?chē)嬖?T或者更高的強(qiáng)磁場(chǎng)，大多數(shù)普通電磁式電機(jī)無(wú)法在如此強(qiáng)的磁場(chǎng)中正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且電磁式電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)出電磁波干擾核磁共振裝備的正常工作［1］。這種強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境恰好適合不產(chǎn)生磁場(chǎng)也不受磁場(chǎng)干擾的超聲波電機(jī)工作。西門(mén)子醫(yī)療器械公司把3個(gè)USM利用在核磁共振裝置上，收效很好［1］。

1.5超聲波電機(jī)在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

NASA屬下的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）開(kāi)發(fā)了直徑分別為1.1英寸、2.5英寸和2.8英寸的環(huán)形行波型超聲波電機(jī)，用于太空行走微型機(jī)器人的微型儀器機(jī)械臂（Mirco Instrument Arm，MIA）和微型桅桿式機(jī)械臂（Mirco Mast Arm，MMA）（用于全景觀察和自我矯正）等［10-11］。

美國(guó)和法國(guó)利用超聲波電機(jī)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，成功地將超聲波電機(jī)應(yīng)用于導(dǎo)彈的測(cè)控系統(tǒng)中，而美國(guó)的導(dǎo)彈上（導(dǎo)引頭和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)）也采用了超聲波電機(jī)［12］。

NASA屬下的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制了特種超聲波電機(jī)，并成功將其應(yīng)用于火星探測(cè)器的微著陸器，如圖1所示。該特種超聲波電機(jī)正常工作時(shí)的峰值輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到2.78N·m，可以在最低溫度達(dá)-100℃甚至更低的環(huán)境中使用，并且比用傳統(tǒng)電磁式電機(jī)減輕總體質(zhì)量達(dá)30％以上［13］。

圖1　USM應(yīng)用于火星探測(cè)微著落器Fig.1 The application of ultrasonic motor in micro Mars lander

超聲波電機(jī)的相關(guān)研究工作在國(guó)內(nèi)雖然起步較晚，但是近年來(lái)以南京航空航天大學(xué)為代表的各大科研機(jī)構(gòu)積極開(kāi)展相關(guān)研究。

其中，南航電氣工程學(xué)院研制的超聲波電機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用于嫦娥三號(hào)探測(cè)器的紅外光譜儀上，如圖2所示。這臺(tái)電機(jī)只有46g，代號(hào)為T(mén)RUM-30A。在實(shí)驗(yàn)室中這臺(tái)電機(jī)在-120℃～180℃的真空工況下工作正常，電機(jī)性能良好［14］。目前，南航也正在積極為嫦娥五號(hào)探測(cè)器研究配套的超聲波電機(jī)，以求在未來(lái)實(shí)現(xiàn)利用超聲波電機(jī)完成精密位置伺服控制，提高探月探測(cè)器紅外光譜儀的可靠性。

圖2　應(yīng)用于嫦娥三號(hào)上的超聲電機(jī)Fig.2 Ultrasonic motor applied to the Chang'e three

2 磁懸浮電機(jī)

傳統(tǒng)電磁式電機(jī)多采用機(jī)械式傳動(dòng)軸承，在電機(jī)工作在大功率和高轉(zhuǎn)速的工況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸與軸承之間存在劇烈機(jī)械摩擦，這就帶來(lái)一系列問(wèn)題，諸如摩擦損耗大、電機(jī)噪聲高、振動(dòng)情況嚴(yán)重等，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)壽命短、系統(tǒng)效率低和系統(tǒng)可靠性差等問(wèn)題［15，17］。

針對(duì)機(jī)械軸承以上缺點(diǎn)，磁懸浮軸承以其完全無(wú)需機(jī)械接觸的突出特點(diǎn)，改變了電機(jī)傳統(tǒng)的支撐方式，從原理上解決了機(jī)械軸承由于摩擦帶來(lái)的種種問(wèn)題。

2.1概念及原理

磁軸承電機(jī)出現(xiàn)在磁懸浮電機(jī)之前，從原理上實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的磁懸浮旋轉(zhuǎn)。一般來(lái)講，如果電機(jī)使用磁軸承實(shí)現(xiàn)磁懸浮支撐需要3個(gè)磁軸承，2個(gè)磁軸承位于電機(jī)轉(zhuǎn)子軸徑向上，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向支撐；還有1個(gè)磁軸承位于電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向上，此位置的磁軸承用于約束轉(zhuǎn)子軸向位移［16］。

磁懸浮電機(jī)是指在傳統(tǒng)電磁式電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的基礎(chǔ)上增加一套懸浮繞組，通過(guò)兩繞組的磁場(chǎng)相互作用，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的懸浮和旋轉(zhuǎn)。磁懸浮電機(jī)與磁軸承電機(jī)相比，減少了轉(zhuǎn)子徑向的磁軸承，并且它的懸浮繞組可以放置在電機(jī)定子上，使整體結(jié)構(gòu)變得緊湊，空間利用率提高，電磁效率提升，制造成本降低。不過(guò)，磁懸浮電機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性仍比較高，這一點(diǎn)有待改進(jìn)［16］。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)研制出結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、緊湊、電磁效率更高、生產(chǎn)成本更低的新型磁懸浮電機(jī)，例如磁懸浮單繞組電機(jī)、單相磁懸浮永磁同步電機(jī)［16］，這些新型磁懸浮電機(jī)的出現(xiàn)為磁懸浮電機(jī)從理論走向?qū)嶋H奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2主要優(yōu)缺點(diǎn)

磁懸浮電機(jī)與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)對(duì)比，磁懸浮電機(jī)主要有以下的優(yōu)點(diǎn)。

1）如圖3所示，傳統(tǒng)電磁式電機(jī)為了支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子軸，在轉(zhuǎn)子軸向兩端放置了機(jī)械軸承，通過(guò)接觸和機(jī)械摩擦支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子軸，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生了摩擦損耗，這會(huì)使電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，整體效率降低。而磁懸浮電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)懸浮繞組與轉(zhuǎn)矩繞組的磁場(chǎng)相互作用而懸?。?6］，完全舍棄了傳統(tǒng)的機(jī)械軸承，避免了摩擦發(fā)熱，從根本上提高了電機(jī)的整體效率。

圖3　磁軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of magnetic bearing motor

2）傳統(tǒng)電磁式電機(jī)由于轉(zhuǎn)子軸與軸承接觸，在高轉(zhuǎn)速大功率的工況下，摩擦帶來(lái)的沖擊振動(dòng)會(huì)磨損電機(jī)轉(zhuǎn)軸和機(jī)械軸承，降低了電機(jī)的使用壽命，限制了傳統(tǒng)電機(jī)在高轉(zhuǎn)速大功率方向的發(fā)展。磁懸浮電機(jī)消除了振動(dòng)沖擊對(duì)電機(jī)使用壽命的不利影響，最大程度上減小了使用噪聲，開(kāi)辟了電機(jī)在極靜領(lǐng)域等對(duì)噪聲要求嚴(yán)格的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

同時(shí)，磁懸浮電機(jī)也有一定的局限性，主要體現(xiàn)在以下方面。

1）轉(zhuǎn)子徑向的磁場(chǎng)會(huì)限制臨界轉(zhuǎn)速，使得電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速降低；磁軸承占據(jù)了大部分的軸向空間，使得整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)體積龐大，制造成本高，使用價(jià)值不高［16］。

2）轉(zhuǎn)矩磁場(chǎng)和懸浮磁場(chǎng)的耦合嚴(yán)重，系統(tǒng)控制規(guī)律復(fù)雜，當(dāng)下仍沒(méi)有使得二者完全解耦的控制算法，所以如何實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)磁場(chǎng)的解耦控制才是推廣磁懸浮電機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵。

2.3磁懸浮電機(jī)的分類(lèi)

廣義上將應(yīng)用了磁懸浮技術(shù)的電機(jī)都稱(chēng)為磁懸浮電機(jī)。所以磁懸浮電機(jī)可以分為磁懸浮軸承電機(jī)和磁懸浮旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

磁懸浮軸承電機(jī)主要解決的問(wèn)題是通過(guò)磁懸浮的方式完成電機(jī)軸的支撐［18］?？梢约?xì)分為:徑向磁懸浮軸承、徑向推力磁懸浮軸承和電磁懸浮軸承三類(lèi)。

徑向磁懸浮軸承是由2個(gè)徑向同軸磁化方向相反的空心圓柱組成。當(dāng)2個(gè)磁化圓柱軸向重合、徑向同心時(shí)，這2個(gè)磁化空心圓柱所受徑向磁場(chǎng)推力為零。但當(dāng)磁化圓柱發(fā)生軸線方向的偏移時(shí)，2個(gè)圓柱之間磁場(chǎng)產(chǎn)生的排斥力使這2個(gè)圓柱軸線趨于一致，從而可以實(shí)現(xiàn)軸承徑向的自穩(wěn)定［18］。但是這種磁軸承軸向穩(wěn)定性欠佳，故應(yīng)用范圍不廣［19］。

徑向推力磁懸浮軸承與徑向懸浮軸承相比僅僅是2個(gè)空心圓柱筒在軸向上偏移一定角度，這樣做可以保持徑向的穩(wěn)定性，而且可以最大程度上穩(wěn)固軸向穩(wěn)定性和角穩(wěn)定性。

電磁懸浮軸承是一種多自由度的利用電磁力控制的磁懸浮軸承。轉(zhuǎn)軸兩端均由水平和垂直兩個(gè)方向的電磁系統(tǒng)來(lái)控制，而該軸承軸向位置由驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行控制［20］。此種軸承特點(diǎn)是控制較為復(fù)雜，成本較高，適用于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。

2.4應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展趨勢(shì)

作為一種新型電機(jī)，磁懸浮電機(jī)以其舍棄機(jī)械軸承、無(wú)摩擦、發(fā)熱少、效率高等特點(diǎn)在航空航天、船舶、車(chē)輛系統(tǒng)、化工、飛輪儲(chǔ)能等領(lǐng)域內(nèi)均有良好的應(yīng)用［16］。在某些需要超高速旋轉(zhuǎn)，一般轉(zhuǎn)速達(dá)到80000r/min～100000r/min的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)尤為明顯，在如此高的轉(zhuǎn)速下，傳統(tǒng)電磁式電機(jī)的噪音和振動(dòng)對(duì)周?chē)ぷ鞯脑O(shè)備帶來(lái)很大影響；除此之外，其振動(dòng)對(duì)電機(jī)軸和軸承的磨損也相當(dāng)嚴(yán)重。

近些年來(lái)，磁懸浮電機(jī)已經(jīng)成為目前新型電機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

在國(guó)外，日本學(xué)者A.Chiba、M.Okada在各種傳統(tǒng)電機(jī)磁懸浮技術(shù)應(yīng)用的背景下，創(chuàng)新地提出了交替極永磁型磁懸浮電機(jī)。如圖4所示，這種新型磁懸浮電機(jī)改變了傳統(tǒng)電機(jī)的磁路，在電機(jī)的結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩磁場(chǎng)和懸浮磁場(chǎng)的解耦，并成為了今后磁懸浮電機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向［16］。

圖4　交替極永磁型磁懸浮電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure diagram of alternate pole permanentmagnet type bearingless motor

2000年，瑞士學(xué)者S.Sliber在經(jīng)歷多次失敗之后成功研制了單相磁懸浮永磁同步電機(jī)，這種新型電機(jī)進(jìn)一步簡(jiǎn)化了復(fù)雜的懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，為將來(lái)磁懸浮電機(jī)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化生產(chǎn)道路打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)率先對(duì)感應(yīng)型磁懸浮電機(jī)的矢量控制及懸浮力模型建立作了相關(guān)研究［21］；沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)成功研發(fā)了小容量磁懸浮永磁同步電機(jī)，這個(gè)電機(jī)應(yīng)用在人工心臟血管中；江蘇大學(xué)與蘇黎世聯(lián)邦學(xué)院合作研制成功了一臺(tái)功率為4kW的永磁薄片磁懸浮電機(jī)工業(yè)化樣機(jī)［16］。

歸納起來(lái)，磁懸浮電機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為:1）電機(jī)本體數(shù)學(xué)模型的建立；2）電機(jī)控制策略的研究（即兩套繞組磁場(chǎng)的解耦控制）；3）新型傳感器的發(fā)展以及磁懸浮電機(jī)專(zhuān)用硬件控制電路的完善。

2.5磁懸浮電機(jī)在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

磁懸浮支撐技術(shù)的應(yīng)用情況如下:

日本文部省宇宙科學(xué)研究所于2004年發(fā)射了Solar-B太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星采用了一個(gè)磁懸浮動(dòng)量輪，在減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量的同時(shí)，提高了航天器指向精度的穩(wěn)定性至亞角秒級(jí)別［22］。從而徹底改變了動(dòng)量輪通過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械式滾珠軸承的支承方式，從根本上規(guī)避了應(yīng)用機(jī)械軸承會(huì)帶來(lái)摩擦損耗、噪聲大、機(jī)械沖擊嚴(yán)重等嚴(yán)重缺點(diǎn)。

NASA于20世紀(jì)70年代、80年代分別投資給Goddard空間飛行中心（GSFC）和Marshall空間飛行中心（MSFC）。1987年，這兩大研究機(jī)構(gòu)成功研制了適用于航空飛行器的動(dòng)量飛輪儲(chǔ)能的電磁懸浮軸承，并研究了該電磁懸浮軸承的能量組合和姿態(tài)控制技術(shù)，在原理樣機(jī)上實(shí)驗(yàn)成功，從而為飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用在包括航空航天領(lǐng)域在內(nèi)的各大工業(yè)領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)［22］。

1988年，美國(guó)制定了IHPTET計(jì)劃，把大力發(fā)展多電/全電航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為未來(lái)一項(xiàng)工作重心。在接下來(lái)的10年時(shí)間中，包括美國(guó)在內(nèi)的英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和瑞士等多國(guó)成立了聯(lián)合研制課題組，專(zhuān)門(mén)研究磁懸浮軸承支撐的航空發(fā)動(dòng)機(jī)［22］。目前，美國(guó)、日本等國(guó)已經(jīng)分別成功研制出了可以在400℃和510℃下連續(xù)穩(wěn)定工作1500h的磁懸浮航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)，該磁懸浮航空發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量小、效率高，在未來(lái)有不可估量的應(yīng)用前景［23］。

3 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

3.1概念及原理

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM）一詞最早出現(xiàn)在美國(guó)學(xué)者S.A.Nasar于1969年發(fā)表的論文中。文中指出，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種具有開(kāi)關(guān)性和磁阻性的電機(jī)。所謂開(kāi)關(guān)性是指電機(jī)必須工作在一種連續(xù)的開(kāi)關(guān)模式；所謂磁阻性是指從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種雙凸極電機(jī)，定轉(zhuǎn)子具有可變的磁回路［24］。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相似，是一種雙凸極變磁阻電動(dòng)機(jī)，因此開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種大步矩角的步進(jìn)電機(jī)，如圖5所示。

圖5　開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of switched reluctance motor

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)遵循“磁阻最小原理”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵芯在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使其主軸線與磁場(chǎng)軸線重合［25］。這類(lèi)似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象［24］。

3.2開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為一種新型電機(jī)，它具有許多突出優(yōu)點(diǎn):

1）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用于高轉(zhuǎn)速。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子上通常沒(méi)有繞組，與傳統(tǒng)的異步電機(jī)、同步電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。而其定子上通常僅有幾個(gè)集中繞組，電機(jī)整體制造成本低下，可靠性高［24］。由于電機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以非常適合高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，目前開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min以上。

2）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)各項(xiàng)繞組獨(dú)立工作，電機(jī)系統(tǒng)容錯(cuò)性高。從結(jié)構(gòu)上看，各相繞組和其磁路彼此獨(dú)立，沒(méi)有耦合，每一相繞組可以在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生各自獨(dú)立的電磁轉(zhuǎn)矩。從調(diào)速系統(tǒng)控制方面看，每相繞組對(duì)應(yīng)的功率管總是由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)控制器控制，其中某相繞組故障并不影響其他相的正常工作［24］。

但是，傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)卻存在著幾個(gè)固有的缺點(diǎn):

1）磁阻式電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率比電磁式電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率低下，這也直接導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度低［24］。

2）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)最突出的問(wèn)題是它的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。電機(jī)正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一般為16％左右。從而帶來(lái)了嚴(yán)重的噪聲問(wèn)題和諧振問(wèn)題，影響開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。

3）如果想讓開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速閉環(huán)的系統(tǒng)中，必定要用傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，而這樣做會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，而使用分辨率不高的位置傳感器會(huì)使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能變差［24］。

3.3開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、工作轉(zhuǎn)速高、容錯(cuò)性好、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域:航空航天領(lǐng)域、家電領(lǐng)域、電動(dòng)機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域、煤炭工業(yè)領(lǐng)域和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工業(yè)領(lǐng)域。

例如在電動(dòng)機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)以其啟動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、電流小的出色性能，以及可以缺相工作的容錯(cuò)性能成為電動(dòng)機(jī)車(chē)領(lǐng)域內(nèi)首選驅(qū)動(dòng)電機(jī)。英國(guó)SRD Ltd.成功將開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為有軌電車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，性能優(yōu)良。繼英國(guó)之后，日本也研制出了用于新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的50kW的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)［25］。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)同時(shí)也存在諸如轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、能量轉(zhuǎn)換率低等缺點(diǎn)，因此在今后的研究工作中應(yīng)該將以下幾點(diǎn)作為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)［25］:1）轉(zhuǎn)子位置間接檢測(cè)技術(shù)；2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制技術(shù)；3）噪聲振動(dòng)控制技術(shù)；4）先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論。

3.4開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

NASA開(kāi)發(fā)了一種航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)用30kW開(kāi)關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)有效電機(jī)質(zhì)量?jī)H為7.71kg，最高轉(zhuǎn)速達(dá)52000r/min，美國(guó)已經(jīng)將高速開(kāi)關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)作為未來(lái)多電飛機(jī)和全電飛機(jī)電源系統(tǒng)首選方案［26］。

除此之外，NASA還與美國(guó)空軍（USAF）合作開(kāi)發(fā)了高速航空燃油泵電機(jī)和航空滑油泵電機(jī)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)［25］。

在國(guó)內(nèi)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相關(guān)研究開(kāi)展的比較晚，其中以南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)為代表的高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)，在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、方案優(yōu)化、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和諧振抑制、先進(jìn)控制策略，以及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)用于航空起動(dòng)發(fā)電領(lǐng)域等方面均開(kāi)展了一定研究。

其中，南京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)了一臺(tái)6kW的270V高壓直流航空開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)/發(fā)電原理樣機(jī)［27］。

西北工業(yè)大學(xué)也開(kāi)發(fā)了一臺(tái)4kW的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)/發(fā)電原理樣機(jī)［28］，并對(duì)該樣機(jī)的容錯(cuò)缺相運(yùn)行能力進(jìn)行了研究和實(shí)驗(yàn)論證。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的總結(jié)與分類(lèi)整理，從超聲波電機(jī)、磁懸浮電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的概念及原理、主要優(yōu)缺點(diǎn)、電機(jī)分類(lèi)、電機(jī)不同應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用情況作了較為詳細(xì)的介紹，除此之外還介紹了這幾種電機(jī)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)。雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于這三種電機(jī)的研究在理論與應(yīng)用上都已經(jīng)取得了不少進(jìn)展，但是還有許多問(wèn)題需要解決，如磁軸承系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低成本、降噪和降耗的研究。制約發(fā)展的是缺少適于SR電機(jī)技術(shù)需求的專(zhuān)用模塊、專(zhuān)用芯片，成熟、實(shí)用的無(wú)直接位置檢測(cè)器也需要盡快進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。相信經(jīng)過(guò)理論的深化和技術(shù)的提高及多方面的重視和努力，這三種電機(jī)將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景，尤其在航空航天領(lǐng)域會(huì)有很大的發(fā)展空間。

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The Development and Application of the New Aerospace Motors

JIN Wen1，WANG Qing1，ZHOU Yang2，CAO Kuan1
（1.The 16thInstitute，China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi'an 710100；2.Northwestern Polytechnical University，School of Automation，Xi'an 710129）

With the development of the aerospace industry in recent years，it asks more for aerospace motors，which brings out a number of new types of them，USM，Maglev Motor，SRD are representative.In this paper，firstly，we present corresponding concepts and principles of the new types of motors mentioned above.Next，we show you all the pros and cons and classifications of them，while we make comments on the current situation and applications of them.We end this paper with a summary of the applications of them in aerospace industry，and a outlook of their developments.

aerospace；ultrasonic motor（USM）；maglev motor；switched reluctance motor（SRM）

TM3

A

1674-5558（2016）07-01210

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.004

金雯，女，碩士，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)。

2015-11-22