無軸承無刷直流電機關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單等特點。本文詳細總結(jié)了無軸承無刷直流電機的關(guān)鍵技術(shù)，為進一步開展無軸承無刷直流電機的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：無軸承無刷直流電機；電機結(jié)構(gòu)；控制策略；無傳感技術(shù)

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(jié)合，不僅具備無刷直流電機結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)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(zhuǎn)速高、壽命長等多種優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用價值。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究狀況

1.1 電機結(jié)構(gòu)及參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

無軸承無刷直流電機的構(gòu)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(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化，轉(zhuǎn)子永磁體材料、充磁方式和永磁體安置方式，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組集成為一套繞組，以簡化電機結(jié)構(gòu)[1]。目前對于無軸承無刷直流電機并沒有一種統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，如何增加懸浮力，提高懸浮力性能，提高轉(zhuǎn)速，減小轉(zhuǎn)矩脈動，提高電機的穩(wěn)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(yīng)用

當前工業(yè)領(lǐng)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(tǒng)的PID控制在工業(yè)領(lǐng)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(wěn)定性與動態(tài)程度都獲得了顯著的提升[2]。模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(shù)的應(yīng)用

無傳感技術(shù)在無軸承無刷直流電機中應(yīng)用主要集中在轉(zhuǎn)子角位置和徑向位置的檢測上。對于轉(zhuǎn)子角位置的無位置傳感技術(shù)與傳統(tǒng)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(xù)流二極管法、變電機結(jié)構(gòu)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(xiàn)方便，得到了廣泛的應(yīng)用。在轉(zhuǎn)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(yè)領(lǐng)域造成了嚴重的影響。所以，對此類電機無位置傳感技術(shù)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(yè)化發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)[3]。

2 無軸承無刷直流電機應(yīng)用趨勢

2.1 生命科學領(lǐng)域

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

2.2 飛輪儲能領(lǐng)域

飛輪儲能屬于一類通過電動機推動飛輪轉(zhuǎn)子高速運行，把動能轉(zhuǎn)變成機械能的儲存設(shè)備。在能量轉(zhuǎn)換的過程中，借助飛輪自身的慣性推動發(fā)電機釋放出電能。電機是飛輪儲能裝置內(nèi)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的重要組成部分，對整體而言不可或缺。飛輪驅(qū)動電機具備轉(zhuǎn)速高、運行穩(wěn)定、生命周期長等優(yōu)勢[4]。磁阻電機噪音大、轉(zhuǎn)矩脈動大、功率因數(shù)低，在當作發(fā)電機時要借助外部勵磁。異步電機不適應(yīng)高度運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差損耗大、控制復雜。該領(lǐng)域大多數(shù)專業(yè)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(yōu)勢比較顯著，如構(gòu)造單一、便捷性高、啟動轉(zhuǎn)矩大等。無軸承無刷直流電機不但具備以上優(yōu)勢，而且還可以降低傳統(tǒng)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(zhuǎn)的速度，這勢必能夠變成無軸承電機的施展拳腳的主要區(qū)域。現(xiàn)階段，在計算機硬盤領(lǐng)域的運用比較常見，它能夠促使硬盤盤片轉(zhuǎn)動，是通過流體動態(tài)軸承FDB（Fluld Dynmaci Bearnig）提供的支撐作用。怎樣提升電機轉(zhuǎn)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(nèi)容，而這種電機憑借自身沒有摩擦損傷以及較高的轉(zhuǎn)動速度等優(yōu)勢，在硬盤領(lǐng)域備受青睞。

2.4 航空領(lǐng)域

這種電機憑借自身沒有摩擦損傷以及較高的轉(zhuǎn)動速度等優(yōu)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(zhuǎn)動速度，讓電機構(gòu)造更為單一，生命周期得以拉伸，能夠較好地滿足航空領(lǐng)域的要求。

3 結(jié)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(yōu)點，潛在的應(yīng)用前景十分廣闊。本文對其無軸承無刷直流電機的關(guān)鍵技術(shù)進行總結(jié)，并分析了無軸承無刷直流電機的應(yīng)用前景和發(fā)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(chǔ)。

參考文獻：

[1]戈素貞.新型無軸承無刷直流電動機結(jié)構(gòu)與模型研究[J].農(nóng)業(yè)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(zhuǎn)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(tǒng)的H∞魯棒控制[J].控制理論與應(yīng)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(shè)計[J].電工技術(shù)學報，2014，19（12）：24-28.

作者簡介：劉奕辰（1991-），男，江蘇靖江人，碩士。