無軸承異步電動(dòng)機(jī)研究發(fā)展現(xiàn)狀*

孫宇新， 楊玉偉

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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無軸承異步電動(dòng)機(jī)研究發(fā)展現(xiàn)狀*

孫宇新， 楊玉偉

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

無軸承異步電動(dòng)機(jī)同時(shí)具備異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良特性和磁軸承的特點(diǎn)，在航空航天、高速機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)無軸承異步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展問題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者作了深入研究并取得了巨大進(jìn)展。為了加強(qiáng)對(duì)無軸承異步電動(dòng)機(jī)的研究，在敘述了無軸承異步電動(dòng)機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)綜述了無軸承異步電動(dòng)機(jī)近年來出現(xiàn)的具有代表性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型及控制方法。

無軸承異步電動(dòng)機(jī)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 數(shù)學(xué)模型； 控制方法

0 引 言

傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)使用機(jī)械軸承支承，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械摩擦，不但加大了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的摩擦力，磨損電機(jī)軸承，達(dá)到一定的磨損程度，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，而且還會(huì)使支承軸承溫度升高，加速軸承磨損，破壞潤(rùn)滑劑的性能，更糟糕的是會(huì)造成高速電機(jī)氣隙不均勻，繞組產(chǎn)生熱量，縮短電機(jī)及支承軸承的使用時(shí)間[1]。但是，隨著社會(huì)發(fā)展，對(duì)高速及高性能電動(dòng)機(jī)的需求越來越多[2]。2015年5月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)制造2025》將以高速電機(jī)為核心的高檔數(shù)控機(jī)床等列為國(guó)家大力推動(dòng)、重點(diǎn)突破的發(fā)展領(lǐng)域。高速電機(jī)技術(shù)首要需要解決電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承難題，由此，磁軸承應(yīng)運(yùn)而生。其具有無機(jī)械摩擦、無磨損等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域[3-4]，但是磁軸承的構(gòu)造復(fù)雜、軸向徑向占用空間大，且軸向空間的使用率較低，使得使用磁軸承支承的高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率受到了影響[5-6]。

為了克服磁軸承的缺點(diǎn)，研究者發(fā)明了無軸承異步電動(dòng)機(jī)，將產(chǎn)生徑向懸浮力的線圈繞制在普通異步電動(dòng)機(jī)定子槽中，兩套線圈共同生成電動(dòng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩和徑向力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和穩(wěn)定懸浮[7-9]。無軸承異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、無摩擦、弱磁容易，可以高速和超高速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)[10]。

本文闡述了無軸承異步電動(dòng)機(jī)工作原理，并從電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模和控制方法角度詳細(xì)介紹了無軸承異步電動(dòng)機(jī)的研究發(fā)展現(xiàn)狀。

1 無軸承異步電動(dòng)機(jī)工作原理

無軸承異步電動(dòng)機(jī)要想完成轉(zhuǎn)子自懸浮，需要有控制徑向力的線圈，則存在懸浮繞組和轉(zhuǎn)矩繞組兩套繞組，其極對(duì)數(shù)分別為p1和p2，電角頻率分別為ω1和ω2。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩套繞組滿足p2=p1±1，ω1=ω2時(shí)，無軸承異步電動(dòng)機(jī)就能依靠自身產(chǎn)生的可控旋轉(zhuǎn)力和懸浮力使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有控旋轉(zhuǎn)與可靠懸浮。

若是電機(jī)轉(zhuǎn)子受外拉力作用離開了電機(jī)定子的軸心位置，那就會(huì)使得電動(dòng)機(jī)磁通密度分布不勻稱，此時(shí)麥克斯韋合力指向轉(zhuǎn)子偏離方向，大小不為0。撤銷外拉力之后，借助于固有的電磁力，轉(zhuǎn)子沒有辦法恢復(fù)到原來位置。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮在定子中心，需要通過控制懸浮繞組來改變?cè)瓉須庀吨械拇艌?chǎng)分布，通過可以控制的麥克斯韋力將轉(zhuǎn)子拉回到定子中心。

2 無軸承異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 二自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

無軸承異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前主要集中在二自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)，即在傳統(tǒng)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子線圈槽中繞制一組控制徑向懸浮力的線圈，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)沒有改變。這種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但控制比較復(fù)雜[11]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

目前大部分無軸承異步電動(dòng)機(jī)采用雙繞組定子結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)逆變器分別給兩套線圈提供電流使得轉(zhuǎn)子懸浮與旋轉(zhuǎn)，其中要求兩套線圈通過電流頻率一致。但是雙繞組結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)體積大，功率損耗大，為此，文獻(xiàn)[12]提出一種將定子每相線圈利用裂相式構(gòu)造分成兩部分的三相單繞組無軸承異步電動(dòng)機(jī)。

2.2 四自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[13]在二自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了一種四自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 四自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

該無軸承異步電動(dòng)機(jī)左右兩端的兩個(gè)徑向自由度分別由二自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)控制。

2.3 五自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

為了彌補(bǔ)以上無軸承異步電動(dòng)機(jī)存在的缺陷，將電動(dòng)機(jī)真正應(yīng)用到工程實(shí)際中，文獻(xiàn)[14]提出了一種五自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)由2臺(tái)二自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)和1個(gè)軸向單自由度磁軸承構(gòu)成。但是，該電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間存在同步協(xié)調(diào)控制問題。針對(duì)這些不足，文獻(xiàn)[15-16]提出了一種新型五自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該電動(dòng)機(jī)由交直流三自由度永磁偏磁交直流混合磁軸承和二自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)結(jié)合，將旋轉(zhuǎn)力和懸浮力磁路巧妙合二為一。

圖3 五自由度無軸承異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

3 無軸承異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

3.1 徑向懸浮力方程

現(xiàn)如今研究徑向懸浮力主要使用虛位移法、麥克斯韋張量法兩種方法。

3.1.1 虛位移法

文獻(xiàn)[16-17]在分析電動(dòng)機(jī)原理的基礎(chǔ)上采用虛位移法來建立徑向懸浮力表達(dá)式。

無軸承異步電動(dòng)機(jī)的電感矩陣為

(1)

式中： L1s、L2s——轉(zhuǎn)矩、懸浮兩套繞組的自感；

x、y——無軸承異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的x軸、y軸位移；

M——兩套繞組的互感系數(shù)。

無軸承異步電動(dòng)機(jī)的線圈中存儲(chǔ)的氣隙磁場(chǎng)能量為

(2)

式中： i——電流矩陣，i=[i1sdi1sqi2sdi2sq]T；

i1sd、i1sq——轉(zhuǎn)矩線圈電流的d、q軸分量；

i2sd、i2sq——懸浮線圈電流的d、q軸分量。

根據(jù)虛位移法的求解法則，電磁力可以通過電磁能量對(duì)位移變量求偏導(dǎo)得到，因而徑向懸浮力沿x軸、y軸的表達(dá)式為

(3)

3.1.2 麥克斯韋張量法

文獻(xiàn)[18-20]介紹了采用麥克斯韋張量法計(jì)算電動(dòng)機(jī)的徑向懸浮力。

首先，假設(shè)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密為B，那么計(jì)算作用在轉(zhuǎn)子表面的麥克斯韋力。此處計(jì)算面積dA上的麥克斯韋力，如式(4)所示：

(4)

當(dāng)p2=p1+1時(shí)，對(duì)式(4)進(jìn)行積分運(yùn)算獲得x、y軸上麥克斯韋力分量為

(5)

式中： FM——麥克斯韋力幅值；

l——有效鐵心長(zhǎng)度；

r——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外徑；

μ0——真空磁導(dǎo)率。

根據(jù)矢量運(yùn)算法則，徑向懸浮力在兩相d-q坐標(biāo)系下的表達(dá)式為

(6)

式中： kM——磁懸浮力系數(shù)；

ψ1d、ψ1q——?dú)庀洞沛溤赿、q軸上的分量；

N1、N2——轉(zhuǎn)矩和懸浮繞組每組串聯(lián)線圈的有效匝數(shù)。

文獻(xiàn)[17，20-21]不僅研究了麥克斯韋力生成的使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮的力，還研究了洛倫茲力生成的使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮的力。由研究結(jié)果可知，洛倫茲力生成的使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于麥克斯韋力生成的力，因此可以忽略不計(jì)。

文獻(xiàn)[17，20，22]還分析了當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離定子中心時(shí)，無軸承異步電動(dòng)機(jī)中除了有可控的徑向懸浮力外，還存在如式(7)所示的不可控的固有麥克斯韋力：

(7)

3.2 轉(zhuǎn)矩方程

無軸承異步電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)矩和懸浮繞組電流生成的磁場(chǎng)分別在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)生成互相影響的感生電流，電磁轉(zhuǎn)矩由其共同作用生成。但是，懸浮繞組磁場(chǎng)感生電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)感生的電流，可忽略[23-24]，由此得到在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(8)

式中：L1m——轉(zhuǎn)矩線圈互感；

Lr——轉(zhuǎn)子自感；

ψ1rd、ψ1rq——轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量。

4 無軸承異步電動(dòng)機(jī)控制方法

為了控制無軸承異步電動(dòng)機(jī)以獲得良好性能，研究人員對(duì)無軸承異步電動(dòng)機(jī)控制方法進(jìn)行了大量研究探索，并且取得了豐碩的成果。其控制方法主要有如下五大類。

4.1 磁場(chǎng)定向控制

磁場(chǎng)定向控制也稱為矢量控制。其實(shí)質(zhì)為控制電機(jī)的磁鏈?zhǔn)噶?，人為將電機(jī)定子電流分解為轉(zhuǎn)矩電流和磁場(chǎng)電流兩個(gè)分量，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)解耦控制。磁場(chǎng)定向控制可分為三種： (1) 氣隙磁場(chǎng)定向控制；(2) 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制；(3) 定子磁場(chǎng)定向控制。文獻(xiàn)[18，25-26]提出了基于氣隙磁場(chǎng)定向的控制方法，控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 基于氣隙磁場(chǎng)定向的無軸承異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

氣隙磁場(chǎng)定向之后，氣隙磁鏈分量變?yōu)棣?d=ψ1，ψ1q=0。此時(shí)可得

(9)

徑向懸浮力可簡(jiǎn)化為

(10)

此時(shí)可以通過控制流過轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組的電流分別獨(dú)立控制轉(zhuǎn)矩和懸浮力。文獻(xiàn)[27]針對(duì)氣隙磁鏈?zhǔn)噶糠导跋辔灰资苻D(zhuǎn)子參數(shù)變化等因素影響的問題，利用通用磁場(chǎng)定向控制器控制無軸承電機(jī)。文獻(xiàn)[28-29]針對(duì)由于轉(zhuǎn)子電阻變化導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)確的問題，提出了在線辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻優(yōu)化傳統(tǒng)氣隙磁場(chǎng)定向控制，取得了較好的控制效果。

為了進(jìn)一步提高解耦效果，文獻(xiàn)[30-31]采用了如圖5所示的基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的控制方法。

圖5 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的無軸承異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向之后，轉(zhuǎn)子磁鏈分量變?yōu)棣?rd=ψ1r，ψ1rq=0。此時(shí)可得

(11)

則懸浮繞組電流為

(12)

文獻(xiàn)[32-33]在轉(zhuǎn)子電阻會(huì)影響轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)大小的問題上提出了不含定轉(zhuǎn)子電阻的轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)器，減少了轉(zhuǎn)子參數(shù)對(duì)控制過程的作用。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制中，由懸浮繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流通常被忽略，但該電流同樣會(huì)改變徑向懸浮力。文獻(xiàn)[34]提出了一種新的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以補(bǔ)償徑向懸浮力產(chǎn)生的延遲和方向誤差。

為了達(dá)到控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)本體參數(shù)依靠程度減弱的效果，文獻(xiàn)[35-36]提出了基于定子磁場(chǎng)定向的控制方法。采用定子磁場(chǎng)定向之后，定子磁鏈分量變?yōu)棣?sd=ψ1s，ψ1sq=0，則無軸承異步電動(dòng)機(jī)的模型為

(13)

電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與懸浮力在定子磁鏈定向控制情況下實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)解耦，但低速情況下表現(xiàn)較為不足。文獻(xiàn)[37]針對(duì)此缺點(diǎn)將U-I法和I-ω法相結(jié)合，組合成新觀測(cè)方法獲得定子、氣隙磁通，取得較好效果。

4.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

針對(duì)磁場(chǎng)定向控制方法的不足，并且直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control, DTC)策略已經(jīng)在異步電動(dòng)機(jī)上得到成功應(yīng)用，學(xué)者們提出了無軸承異步電動(dòng)機(jī)DTC方法。文獻(xiàn)[38]針對(duì)傳統(tǒng)DTC方法存在較大的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)以及較大的電流諧波失真問題，研究了基于轉(zhuǎn)矩磁鏈雙PI控制器和空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pluse Width Modulation, SVPWM)的DTC方法。文獻(xiàn)[39]在無軸承異步電動(dòng)機(jī)SVM-DTC控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，修正定子磁鏈同步角，使磁鏈與轉(zhuǎn)矩控制環(huán)互相不影響，并且在試驗(yàn)中分析了占空比與輸出電壓諧波失真的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了占空比的設(shè)計(jì)，使其更加優(yōu)越，約束了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流總諧波失真。文獻(xiàn)[40]針對(duì)傳統(tǒng)SVM-DTC系統(tǒng)中PID調(diào)節(jié)器無法解決快速與穩(wěn)定之間的矛盾，采用自抗擾控制器替代PI或PID調(diào)節(jié)器，取得了較好效果。

4.3 懸浮系統(tǒng)獨(dú)立控制

若能在線辨識(shí)轉(zhuǎn)矩繞組生成的氣隙磁場(chǎng)，即可實(shí)行無軸承異步電動(dòng)機(jī)懸浮繞組的獨(dú)立控制。由此，文獻(xiàn)[41]提出使用電壓模型法辨識(shí)得到氣隙磁鏈，完成了無軸承異步電動(dòng)機(jī)懸浮繞組的獨(dú)立控制。

無論是應(yīng)用電壓傳感器的電壓模型法，還是應(yīng)用霍爾元件或探測(cè)線圈法，都需要外加額外的器件或者增加電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜程度。文獻(xiàn)[42]提出了一種新型氣隙磁鏈辨識(shí)策略，根據(jù)逆變器開關(guān)狀態(tài)，采用電壓模型法辨識(shí)獲得氣隙磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)懸浮繞組的獨(dú)立控制。針對(duì)U-I模型氣隙磁鏈辨識(shí)方法中存在純積分從而會(huì)引入積分誤差的問題，文獻(xiàn)[43]提出了一種新的電動(dòng)機(jī)磁鏈辨識(shí)積分方法，將帶通濾波器和純積分環(huán)節(jié)相串聯(lián)，輸入信號(hào)中的直流分量由帶通濾波器濾除，又用信號(hào)無差通過濾波器進(jìn)行積分算法，解決了存在純積分環(huán)節(jié)問題。

文獻(xiàn)[44]對(duì)獨(dú)立控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，使用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立懸浮繞組系統(tǒng)模型，最后基于逆控制器完成懸浮繞組的獨(dú)立控制。此類獨(dú)立控制方法不需辨識(shí)氣隙磁鏈，不依靠轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)傳遞磁鏈信號(hào)，從而避免了各控制策略之間的相互制約問題。

4.4 非線性解耦控制

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)解耦，文獻(xiàn)[16，45-46]將逆系統(tǒng)方法應(yīng)用于無軸承異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)其進(jìn)行了非線性動(dòng)態(tài)解耦控制。系統(tǒng)如圖6所示。首先利用數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出逆模型，結(jié)合逆模型將原系統(tǒng)解耦并得到4個(gè)相互獨(dú)立的線性子系統(tǒng)，最后設(shè)計(jì)PI、PD控制器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈、轉(zhuǎn)速，以及x方向和y方向上位移之間的非線性動(dòng)態(tài)解耦。

圖6 基于逆系統(tǒng)方法的無軸承異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

文獻(xiàn)[47]針對(duì)沒有考慮轉(zhuǎn)矩繞組定子電流動(dòng)態(tài)特性的問題，在無軸承異步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程中加入了定子電流的動(dòng)態(tài)部分，并在該狀態(tài)方程下使用逆系統(tǒng)將無軸承異步電動(dòng)機(jī)解耦成4個(gè)二階線性積分子系統(tǒng)，此系統(tǒng)省去了電流閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩變量在線辨識(shí)環(huán)節(jié)。但是實(shí)際生活中系統(tǒng)的模型及逆模型很難求解得到，傳統(tǒng)逆系統(tǒng)方法難以應(yīng)用。由此，文獻(xiàn)[48- 49]采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)得到電動(dòng)機(jī)的逆模型，結(jié)合逆模型和原系統(tǒng)得到4個(gè)子系統(tǒng)，完成了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的無軸承異步電動(dòng)機(jī)解耦控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)為能夠自我學(xué)習(xí)和自適應(yīng)未知的系統(tǒng)，但是存在局部極點(diǎn)小、過學(xué)習(xí)、運(yùn)算量大等缺陷。文獻(xiàn)[50]針對(duì)這些缺陷提出基于最小二乘支持向量機(jī)逆的無軸承異步電動(dòng)機(jī)解耦控制，利用最小二乘支持向量機(jī)的非線性回歸能力對(duì)樣本做非線性回歸，建立電動(dòng)機(jī)的逆模型。文獻(xiàn)[51]還提出使用非線性自適應(yīng)濾波器建立正模型與逆模型的自適應(yīng)逆解耦控制方法，利用非線性自適應(yīng)濾波器離線訓(xùn)練速度較快，并且在建模過程中能解決各變量之間的耦合問題的特性，完成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦。

4.5 無傳感器控制

要使無軸承異步電動(dòng)機(jī)取得較好的控制效果必須獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和徑向位移數(shù)據(jù)，因此速度位移傳感器是必須的。但是，這些機(jī)械傳感器不易安裝、接線復(fù)雜、可靠性低，而且使得轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度變長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子剛度降低，嚴(yán)重制約了無軸承異步電動(dòng)機(jī)的性能，故必須研究無軸承異步電動(dòng)機(jī)在沒有傳感器情況下的運(yùn)行狀況。

在無速度傳感器方面，文獻(xiàn)[36]提出了在線獨(dú)立辨識(shí)轉(zhuǎn)子和定子電阻，采用的方法為交互式模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(Model Reference Adaptive System, MRAS)方法，實(shí)現(xiàn)了擾動(dòng)較大情況下無速度傳感器方式穩(wěn)定運(yùn)行。由于傳統(tǒng)MRAS方法轉(zhuǎn)速受積分環(huán)節(jié)影響，所以文獻(xiàn)[52]提出一種基于轉(zhuǎn)矩繞組無功功率的MRAS無速度傳感器矢量控制方法，將瞬時(shí)無功功率作為一個(gè)可以調(diào)節(jié)的模型，建立轉(zhuǎn)速與無功功率的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的在線辨識(shí)。針對(duì)使用MRAS方法獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)的系統(tǒng)在低速時(shí)不穩(wěn)定，文獻(xiàn)[53]采用高頻信號(hào)注入法實(shí)現(xiàn)了在電動(dòng)機(jī)全速范圍時(shí)轉(zhuǎn)子速度和位置的檢測(cè)；文獻(xiàn)[54]利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器在線辨識(shí)轉(zhuǎn)速變量實(shí)現(xiàn)無軸承異步電動(dòng)機(jī)無速度傳感器運(yùn)行，而且還有效減少了計(jì)算量。

在無位移傳感器方面，文獻(xiàn)[55]在電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上得到轉(zhuǎn)子徑向位移觀測(cè)器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向位移的自我檢測(cè)。文獻(xiàn)[53，56]向懸浮線圈注入載波信號(hào)，檢測(cè)該載波信號(hào)在懸浮線圈上產(chǎn)生的高頻電壓差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在沒有位移傳感器的情況下運(yùn)行。文獻(xiàn)[57]向轉(zhuǎn)矩線圈注入載波信號(hào)，檢測(cè)該載波信號(hào)在懸浮繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓差分信號(hào)，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在沒有位移傳感器的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文敘述了無軸承異步電動(dòng)機(jī)的概念和工作原理，重點(diǎn)分析了無軸承異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型的建立和控制方法等關(guān)鍵理論和技術(shù)?？傮w而言，經(jīng)過近20年的研究和發(fā)展，無軸承異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模及控制的基本理論體系已經(jīng)形成。無軸承異步電動(dòng)機(jī)作為一種新型異步電動(dòng)機(jī)，具有高效率、高穩(wěn)定性、高速、無摩擦等特點(diǎn)，在飛輪儲(chǔ)能、高速電主軸、先進(jìn)制造及空調(diào)或冰箱用的離心式壓縮機(jī)、生物工程用到的高速離心分離機(jī)等方面表現(xiàn)出特有的優(yōu)勢(shì)和較好的應(yīng)用前景。

無軸承異步電動(dòng)機(jī)是一種新型的無軸承電機(jī)，仍有一些技術(shù)需要研究：

(1) 無軸承異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論研究。目前無軸承異步電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒有一套成熟理論，因此總結(jié)并制定一套從設(shè)計(jì)、優(yōu)化、動(dòng)靜態(tài)分析到樣機(jī)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)理論十分重要。

(2) 精確數(shù)學(xué)模型研究。現(xiàn)有的機(jī)理建模方法是在忽略了電動(dòng)機(jī)磁飽和、電動(dòng)機(jī)發(fā)熱引起的參數(shù)變化、變量諧波分量以及除氣隙磁阻以外的其他磁阻及損耗的基礎(chǔ)上建立的近似模型，而且無軸承異步電動(dòng)機(jī)在不同工況下模型也是時(shí)變的，因此必須研究新的建模方法，充分考慮各種非線性因素，分析模型隨參數(shù)的變化，建立精確的數(shù)學(xué)模型。

(3) 解耦控制方法研究。尋找一種解耦效果優(yōu)越而且簡(jiǎn)單易實(shí)施，容易應(yīng)用到實(shí)際控制中的解耦控制方法是今后的一個(gè)研究方向。

(4) 無傳感器技術(shù)研究。高性能電動(dòng)系統(tǒng)通常應(yīng)用于精密加工等場(chǎng)合，通過傳感器檢測(cè)所需信號(hào)和信息不僅增加了系統(tǒng)成本，而且這些精密傳感器發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)困難，影響了控制性能。因此研究無傳感器技術(shù)是降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要途徑。

(5) 數(shù)字控制系統(tǒng)研究。無軸承異步電動(dòng)機(jī)數(shù)字系統(tǒng)在高速實(shí)時(shí)性方面還面臨挑戰(zhàn)，不能適應(yīng)高速、超高速運(yùn)行的性能要求，需要結(jié)合可編程邏輯器件研究專用控制系統(tǒng)。

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Research and Development Status of Bearingless Asynchronous Motor*

SUNYuxin,YANGYuwei

(College of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The bearingless asynchronous motor has the excellent characteristics of asynchronous motor and the features of magnetic bearing, and has very broad development prospects in aerospace and high speed mechanical equipment fields. On account of the problem about the development of bearingless asynchronous motor, thorough research had been made by many domestic and foreign scholars, and gigantic progress had been made. In order to strengthen the research of bearingless asynchronous motor, the working principle of the bearingless asynchronous motor was introduced, and the representative structure design, mathematical model and control method of the bearingless asynchronous motor in recent years were overviewed.

bearingless asynchronous motor; structure design; mathematical model; control method

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61174055)

孫宇新(1968—)，女，碩士研究生，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

楊玉偉(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)解耦控制。

TM 359.9

A

1673-6540(2016)10- 0001- 08

2016-06-25