無軸承無刷直流電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
2019-02-23 劉奕辰
（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院）
摘 要：無軸承無刷直流電機(jī)是一種新型的高性能電機(jī)，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(diǎn)。本文詳細(xì)總結(jié)了無軸承無刷直流電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，為進(jìn)一步開展無軸承無刷直流電機(jī)的研究提供參考。
關(guān)鍵詞：無軸承無刷直流電機(jī)；電機(jī)結(jié)構(gòu)；控制策略；無傳感技術(shù)
0 引言
無軸承無刷直流電機(jī)是一種將無刷直流電機(jī)和和磁軸承相兩者功能相結(jié)合，不僅具備無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍廣等特點(diǎn)，還具備無軸承電機(jī)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(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)
無軸承無刷直流電機(jī)的構(gòu)造和以往的無刷直流電機(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，以簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)[1]。目前對于無軸承無刷直流電機(jī)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(jī)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(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域，科學(xué)的控制策略對提升電機(jī)性能方面具有的功能。無軸承無刷直流電機(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)用到無軸承無刷直流電機(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)而讓無軸承無刷直流電機(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(jī)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)法、觀測器估計(jì)法和智能估計(jì)法等，其中反電動勢法原理簡單、實(shí)現(xiàn)方便，得到了廣泛的應(yīng)用。在轉(zhuǎn)子徑向位置的檢測中，一般采用電渦流位移傳感器進(jìn)行直接檢測，但是電渦流傳感器造價(jià)昂貴，在一般的位移檢測中，x和y方向各需要兩個(gè)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(jī)的投入，對工業(yè)領(lǐng)域造成了嚴(yán)重的影響。所以，對此類電機(jī)無位置傳感技術(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 無軸承無刷直流電機(jī)應(yīng)用趨勢
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?，它具有體積小、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 飛輪儲能領(lǐng)域
飛輪儲能屬于一類通過電動機(jī)推動飛輪轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行，把動能轉(zhuǎn)變成機(jī)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(jī)釋放出電能。電機(jī)是飛輪儲能裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的重要組成部分，對整體而言。飛輪驅(qū)動電機(jī)具備轉(zhuǎn)速高、運(yùn)行穩(wěn)定、生命周期長等優(yōu)勢[4]。磁阻電機(jī)噪音大、轉(zhuǎn)矩脈動大、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)人士會選擇永磁無刷直流電機(jī)，這是由于無刷直流電機(jī)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(jī)不但具備以上優(yōu)勢，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能的效率。
2.3 高速、超高速電機(jī)
對于高速、超高速電機(jī)來說，其速度能夠到達(dá)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(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，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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)用，進(jìn)而減輕了航空電機(jī)自身的重量，提升了轉(zhuǎn)動速度，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
無軸承無刷直流電機(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。本文對其無軸承無刷直流電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并分析了無軸承無刷直流電機(jī)的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢，為無軸承無刷直流電機(jī)的進(jìn)一步研究奠定了理論基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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[2]許潔，劉賢興，李兵偉.無軸承無刷直流電機(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.高速儲能飛輪用無鐵心永磁無刷直流電動機(jī)的分析與設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，19（12）：24-28.
作者簡介：劉奕辰（1991-），男，江蘇靖江人，碩士。
來源：《山東工業(yè)技術(shù)》2018年13期
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