摘要：无轴承永磁同步电机是采用了无轴承技术的高性能永磁同步电机，同时具备永磁同步电机的优良特性与磁悬浮轴承的优点。阐述了转矩绕组极对数为2，悬浮力绕组极对数为3的无轴承永磁同步电机悬浮力产生原理，总结了目前国际国内无轴承永磁同步电机在结构方面与控制策略方面的研究成果，为无轴承永磁同步电机结构改进与控制优化提供重要参考。分析了无轴承永磁同步电机研究发展趋势，为无轴承永磁同步电机进一步研究指明方向。

关键词：无轴承电机；永磁同步电机；电机结构；控制策略；发展趋势

中图分类号：tm341；tm351    文献标志码：a    文章编号：1001-6848(2010)02-0077-06

  磁悬浮技术是指借助磁场力将被控对象（转子）置于非机械接魅状态的技术。该技术主要理论基础是电磁场理论、电力电子技术及控制理论，依托现代电力电子器件及信号处理器件得以实现。目前，磁悬浮技术主要应用于磁悬浮列车、磁悬浮轴承与无轴承电机等领域。

  磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空中，实现转子和定子之间没有任何机械接触的新型高性能轴承口，对磁悬浮袖承的研究已有150多年的历史，磁悬浮轴承无机械摩擦，能够避免在转子超高速旋转情况下剧烈的机械磨损。并且无需润滑，无污染，适用于超洁净环境，而且寿命较长，对于维护困难的场合较为适用，国内外学者已对其做过全面而深入的研究，在能源交通、机械加工工业、航空航天及机器人等高速领域获得了实际应用。但在实际运用中，磁悬浮轴承系统存在以下问题：

    ①输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率，必须要加大电机的轴向长度和径向长度。但是电机两端磁悬浮轴承本身占有一定的轴向长度，电机轴向尺寸较大而降低了转子的临界转速，这导致电机功率的提高主要依赖径向尺寸的增加，而转轴径尺寸受材料机械强度的限制，同时径向尺寸增加势必使磁悬浮轴承体积增加，磁悬浮轴承支承的电机的体积就会增大许多；为了高速时能避开转轴的临界转速（以免引起转轴的共振），只能尽量控制电机本身的轴向长度。

   ②磁悬浮轴承需要一定数量的励磁线圈，高性能的功率放大器和造价不菲的位移传感器，由于成本和体积的原因，使得磁悬浮轴承支承的高速电机在大功率和微型应用场合受限制。

   磁悬浮轴承结构和交流电机定子结构具有一定的相似性，如果把磁悬浮轴承中产生悬浮力的绕组和交流电机产生电磁转矩的绕组一起嵌入到电机定子槽中，使悬浮力绕组产生的磁场和电机转矩绕组产生的旋转磁场合成一个整体，采用磁场定向控制策略分别独立控制电机的旋转和转轴的稳定悬浮，这样就可以减小磁悬浮轴承支承高速电机在电机两端的磁轴承所占的轴向空间，这就是无轴承电机的基本思。

  无轴承永磁同步电机是在永磁同步电机基础上实现了无轴承化的一种性能优良的无轴承电机，继承了永磁同步电机功率密度大、功率因数高、效率高的优良性能，并具备了磁悬浮轴承无机械摩擦、无需润滑、无污染、寿命长、免维护的特点。在仅有三个自由度主动控制的永磁薄片转子式无轴承承电机的应用（包括泵类应用）中，需要采用较强的励磁方式以建立电机气隙磁场，此时，无轴承永磁同步电机较其它类型的电机具有更高的使用和应用价值。虽然无轴承永磁同步电机转子永磁体的存在使得电机的电气气隙宽度增加，从而需要采用较大的悬浮力绕组电流，但是转矩绕组电流由于不再需要较大的励磁分量而相应减小，因此，电机总的需求伏安(va)数增加并不多。因此，无轴承永磁同步电机具有更广阔的应用前景。

    本文以无轴承永磁同步电机转矩绕组极对数pm=2，悬浮力绕组极对数pb =3的为研究对象[4.8]。无轴承永磁同步电机径向力由三部分构成：麦克斯韦力、洛仑兹力与由于转子偏心而引入的径向力。将无轴承永磁同步电机永磁体激励的磁场与转矩绕组激励的磁场进行合成并等效为如图1中大尺寸绕组的电流，悬浮力绕组激励的磁场也等效为如图1中小尺寸绕组的电流，此时，无轴承永磁同步电机内麦克斯韦力合力与产生径向力的洛仑兹力的产生情况如图l所示。