摘 要：無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)是一種新型的高性能電機(jī)，具備無(wú)摩擦、無(wú)磨損、高速度、壽命長(zhǎng)、效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本文詳細(xì)總結(jié)了無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，為進(jìn)一步開(kāi)展無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)；電機(jī)結(jié)構(gòu)；控制策略；無(wú)傳感技術(shù)

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

0 引言

無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)是一種將無(wú)刷直流電機(jī)和和磁軸承相兩者功能相結(jié)合，不僅具備無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍廣等特點(diǎn)，還具備無(wú)軸承電機(jī)無(wú)需潤(rùn)滑、無(wú)摩擦磨損、無(wú)噪音、轉(zhuǎn)速高、壽命長(zhǎng)等多種優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究狀況

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的構(gòu)造和以往的無(wú)刷直流電機(jī)相似，研究工作主要集中在電機(jī)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(jī)甚至將轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組集成為一套繞組，以簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)[1]。目前對(duì)于無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)并沒(méi)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(dòng)，提高電機(jī)的穩(wěn)定性將成為下一步研究的主要問(wèn)題所在。

1.2 控制策略的應(yīng)用

當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域，科學(xué)的控制策略對(duì)提升電機(jī)性能方面具有不可或缺的功能。無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)屬于具有代表性的非線性、多變量、強(qiáng)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(dòng)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(yùn)用到無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的控制中，然而以上新推行的策略較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較為困難，需要進(jìn)一步的探究，進(jìn)而讓無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)控制體系變得更為精致、智能、便捷以及高效。

1.3 無(wú)傳感技術(shù)的應(yīng)用

無(wú)傳感技術(shù)在無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)中應(yīng)用主要集中在轉(zhuǎn)子角位置和徑向位置的檢測(cè)上。對(duì)于轉(zhuǎn)子角位置的無(wú)位置傳感技術(shù)與傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)相同，主要方法包括：反電動(dòng)勢(shì)法、電感法、磁鏈法、續(xù)流二極管法、變電機(jī)結(jié)構(gòu)法、觀測(cè)器估計(jì)法和智能估計(jì)法等，其中反電動(dòng)勢(shì)法原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，得到了廣泛的應(yīng)用。在轉(zhuǎn)子徑向位置的檢測(cè)中，一般采用電渦流位移傳感器進(jìn)行直接檢測(cè)，但是電渦流傳感器造價(jià)昂貴，在一般的位移檢測(cè)中，x和y方向各需要兩個(gè)電渦流傳感器形成差動(dòng)電路，以減小誤差提高精度，這將大大增加電機(jī)的投入，對(duì)工業(yè)領(lǐng)域造成了嚴(yán)重的影響。所以，對(duì)此類電機(jī)無(wú)位置傳感技術(shù)的深入研究不僅可以降低電機(jī)制造的成本，提高電機(jī)運(yùn)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(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用趨勢(shì)

2.1 生命科學(xué)領(lǐng)域

血液泵可以較好地替代心臟工作的變速、變?nèi)萘浚哂畜w積小、效果好的特點(diǎn)。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(xì)胞受到的傷害和溶血、血栓的出現(xiàn)。

2.2 飛輪儲(chǔ)能領(lǐng)域

飛輪儲(chǔ)能屬于一類通過(guò)電動(dòng)機(jī)推動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行，把動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的儲(chǔ)存設(shè)備。在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，借助飛輪自身的慣性推動(dòng)發(fā)電機(jī)釋放出電能。電機(jī)是飛輪儲(chǔ)能裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的重要組成部分，對(duì)整體而言不可或缺。飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)具備轉(zhuǎn)速高、運(yùn)行穩(wěn)定、生命周期長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[4]。磁阻電機(jī)噪音大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、功率因數(shù)低，在當(dāng)作發(fā)電機(jī)時(shí)要借助外部勵(lì)磁。異步電機(jī)不適應(yīng)高度運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差損耗大、控制復(fù)雜。該領(lǐng)域大多數(shù)專業(yè)人士會(huì)選擇永磁無(wú)刷直流電機(jī)，這是由于無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)比較顯著，如構(gòu)造單一、便捷性高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等。無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)不但具備以上優(yōu)勢(shì)，而且還可以降低傳統(tǒng)機(jī)械軸承之間的摩擦力，能夠大幅度提升飛輪儲(chǔ)能的效率。

2.3 高速、超高速電機(jī)

對(duì)于高速、超高速電機(jī)來(lái)說(shuō)，其速度能夠到達(dá)一分鐘少至幾萬(wàn)多至幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的速度，這勢(shì)必能夠變成無(wú)軸承電機(jī)的施展拳腳的主要區(qū)域?，F(xiàn)階段，在計(jì)算機(jī)硬盤領(lǐng)域的運(yùn)用比較常見(jiàn)，它能夠促使硬盤盤片轉(zhuǎn)動(dòng)，是通過(guò)流體動(dòng)態(tài)軸承FDB（Fluld Dynmaci Bearnig）提供的支撐作用。怎樣提升電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)憑借自身沒(méi)有摩擦損傷以及較高的轉(zhuǎn)動(dòng)速度等優(yōu)勢(shì)，在硬盤領(lǐng)域備受青睞。

2.4 航空領(lǐng)域

這種電機(jī)憑借自身沒(méi)有摩擦損傷以及較高的轉(zhuǎn)動(dòng)速度等優(yōu)勢(shì)，能夠降低液壓氣壓體系的運(yùn)用，進(jìn)而減輕了航空電機(jī)自身的重量，提升了轉(zhuǎn)動(dòng)速度，讓電機(jī)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(yǔ)

無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)作為一種新型的高性能電機(jī)，同時(shí)具備無(wú)刷直流電機(jī)和磁軸承的優(yōu)點(diǎn)，潛在的應(yīng)用前景十分廣闊。本文對(duì)其無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并分析了無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)，為無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的進(jìn)一步研究奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]戈素貞.新型無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與模型研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（02）：131-135.

[2]許潔，劉賢興，李兵偉.無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，26（03）：266-270.

[3]黃雷，趙光宙，年珩等.永磁型無(wú)軸承電機(jī)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(chǔ)能飛輪用無(wú)鐵心永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的分析與設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，19（12）：24-28.

作者簡(jiǎn)介：劉奕辰（1991-），男，江蘇靖江人，碩士。