无轴承电机研究回顾、应用现状与技术基础
张汉年1，刘合祥2
（1南京信息职业技术学院电子信息学院，南京210046;2东南大学电气工程学院，南京210096）
摘要：概述了无轴承电机的优点，总结了无轴承电机的几种基本结构，详细介绍其研究进程。综述了无轴承电机的应用现状，重点论述了其在生物工程、半导体工业、食品化工以及飞轮储能等领域的应用概况。最后总结了无轴承电机及其驱动控制的相关技术基础。
关键词：无轴承电机；研究；应用；技术基础
中圈分类号：tm359.9 文献标志码：a 文章编号：1001-6848(2010)07-0081-04
o引言
20世纪中期以来，在离心机、高速机床等众多场合迫切需要高速及超高速的电力传动。此外，在生物工程、航空航天等电气传动领域，急切要求无污染、无摩擦的高性能电机驱动。普通机械轴承存在摩擦和磨损，由此带来****转速难以突破、润滑油污染等问题，磁轴承的出现，满足了高速高性能电机的支承要求。磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型轴承。它具有无润滑、寿命长、无摩擦、无机械噪声等优点，但在实际运用中，磁轴承的缺陷依然存在磁轴承占据的轴向体积较大、其支承的电机结构较为复杂，另外电机的****转速和****输出功率也受到限制。因此，既具备普通交流电机特点，又兼备磁轴承优良性能为一体的新型电机无轴承电机应运而生。无轴承电机是一种新型的高技术含量、高附加值的机电能量转换装置，开创了高速电机驱动的新纪元。
1基奉结构
无轴承电机是在磁悬浮轴承原理基础上研制出来的，它将磁轴承中产生径向悬浮力的绕组叠加到电机定子上，只要确保电机转矩绕组产生的磁场极对数p，与径向悬浮力绕组产生的磁场极对数p2满足关系武；p2= pi±1，电机便不仅能产生电磁转矩，还能产生径向悬浮力。无轴承电机的一个转子要实现稳定悬浮需要对五个自由度进行控制，也就是说要支承无轴承电机的一个转子需要两个无轴承电机单元和一个轴向磁轴承，其中两个无轴承电机单元的结构完全一样。
图1为传统机械轴承支承的电机结构图。磁轴承支承的电机结构形式有多种，图2为其中一种，这种结构的电机其转子完全悬浮需由两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承，电机部分只产生电磁转矩。
图3为无轴承电机结构图，其轴向自由度由磁轴承来控制，径向磁轴承的功能由电机来实现，与图2相比，其结构得到了简化。
图4为径向轴向三自由度混合磁轴承支承的无轴承电机结构图，与图3相比，其结构形式得到了进一步简化。
图5为无轴承薄片电机结构图，其转子轴向长度与其直径相比很小，仅有一个无轴承电机单元即可实现稳定悬浮，该类无轴承电机结构最为紧凑和简单，****推广应用价值。
2研究进程
20世纪70年代，英国学者hermann提出了一种极对数分别为p和p+2的双绕组定子结构，且具有自悬浮能力的电磁装置。与此同时，美国学者meinke提出了另外一种分离绕组的磁悬浮装置。1985年，日本学者higuchi提出了步进型磁悬浮电动机。1988年，瑞士学者bosch发明了具有轴向推力的薄片磁悬浮电机，并首次提出了“无轴承电机”这个概念。
1990年，日本东京理工大学的chiba等学者首次实现同步磁阻电机酌无轴承技术。图6为同步磁阻型无轴承电机样机部件图，图中1为辅助机械轴承1，2、3分别为样机定子、转子，4为转子角度测量器及其紧固铸件。
1993年，苏黎世联邦工学院的schob首次实现了交流感应电机的无轴承技术，图7为无轴承感应电机实物图。几乎与此同时，开关磁阻型无轴承电机和永磁型无轴承电机也相继研制成功。1995年之后，无轴承电机的研究开始迈入实用 |
