无轴承永磁同步电动机的发展_应用和前景

动机等的研究工作 ,并且在理论和实验方面取得了
一些成绩 。江苏大学与苏黎世联邦工业大学共同
开展了对功率为 4kW 无轴承永磁同步电动机研究
工作 ,解决了传感器
检 测 、降 低 功 率 损 耗
等关键技术问题,
4kW 的 无 轴 承 电 动
机(见图 5) 不久就会
在 化 工 、半 导 体 等 领 域得到应用。另外 , 我国稀土含量丰富 ,
在 1831 年英国 Ferarris 发明第一台感应发电 机和 1888 年美国 Tesla 发明第一台交流感应电动 机后 ,19 世纪 80 年代后期 ,德国 Michael von Doliwo - Dobrowolski 发明了三相鼠笼异步电动机。异步 电动机不需电刷和换向器 ,但电动机两端需要轴承 来支承。对需要长期高速稳定运行的传动系统 ,轴 承维护保养是一个很大问题 ,为此 ,人们也探索了 很多解决方法。二次世界大战后 ,直流磁轴承技术 的发展 ,使得电动机和传动系统完全无接触运行成 为可能 ,但是这种传动系统造价很高。
中国机械工程第 15 卷第 17 期 2004 年 9 月上半月
无轴承永磁同步电动机的发展 、应用和前景
刘贤兴 孙宇新 朱火晃秋 王德明 孙玉坤
江苏大学电气信息工程学院 ,镇江 ,212013
摘要 :介绍了无轴承电动机的基本原理 ,综述了无轴承电动机起源及无 轴承永磁电动机研究现状 ,详细论述了无轴承永磁电动机在半导体工业 、化 工工业及生物工程等领域的应用特点和意义 ,展望了我国研究和应用无轴 承永磁同步电动机的前景 。 关键词 :无轴承电动机 ;永磁同步电动机 ;理论 ;应用 中图分类号 : TM34 文章编号 :1004 —132 Ⅹ(2004) 17 —1594 —04
图 4 是无轴承电动机 ( pM = 1 , pB = 2) 产生沿 x 或 y 方向洛伦兹 (Lorentz) 示意图。
(a) x 向
(b) y 向
图 3 麦克斯韦径向悬浮力产生示意图
(a) x 向
(b) y 向
图 4 洛伦兹径向悬浮力产生示意图
当 pB = pM + 1 ,无轴承电动机径向悬浮力绕 组通电后 ,转子所受的麦克斯韦力和洛伦兹力方向 是相同的 ,这两个力相加 ;当 pB = pM - 1 时 ,这两 个力的方向相反 ,则通电所受合力等于麦克斯韦力 减去洛伦兹力 。其悬浮力表达式为
图 1 是无轴承电动机的结构示意图 ,一台完整 的无轴承电动机由 2 个无轴承电动机单元和 1 个 轴向磁轴承构成。2 个无轴承电动机单元的结构 完全一样 ,采用磁场定向控制分别独立控制电动机 转子稳定悬浮和旋转 ,实现电动机的无轴承化。对 于功率较小的无轴承电动机 ,采用图 1 的结构形 式 ,电动机结构和控制系统比较复杂 ,如在设计中 令电动机转子长度大大小于转子半径 ,这样转子的
在 20 世纪 80 年代 ,磁性材料磁性能的进一步 提高 ,为永磁同步电动机奠定了有力的竞争地位 , 同时 ,双极晶体管的应用 ,并结合德国 Boehringer 提出的无损开关电路 ,能够制造出满足无轴承电动 机要求的新一代高性能功率放大器 ,为无轴承电动 机的研究奠定了硬件基础。另外 ,永磁同步电动机 有一个很大优点 :永磁磁场的位置能够用旋转编码 器测量 ,还有一个重要的技术进步是用高速集成芯 片实现完全数字控制。大约在 1985 年 ,具有快速 和负载能力的功率开关器件和数字信号处理器的 出现 ,使得已经提出 20 多年的交流电动机矢量控 制技术得到实际应用 。无轴承电动机要实现复杂 的控制系统 ,具有足够速度的高速信号处理器是必
速为11 000r/ min的表面凸装式无轴承永磁同步电
动机实验样机的研制 ,该样机为 4 自由度 ,仅能连
接轴向共线负载 ,并没有真正意义上的应用价值。
此外 ,美国的 Kim 等[6] 、奥地利的 Amrhein 等[7]也
对无轴承永磁电动机进行了基础研究 。
我国开展磁轴承和磁悬浮列车研究多年 ,掌握
和积累了一些磁悬浮技术的基本理论和实践经验 。
目前 ,数字信号处理技术、电力电子技术和交流电
动机调速技术比较成熟 ,为研究无轴承永磁电动机
奠定了基础。20 世纪 90 年代后期以来 ,西安交通
大学 、江苏大学及沈阳工业大学等单位先后开展了
无轴承交流异步电动机 、无轴承开关磁阻电动机 、
无轴承永磁同步电动机和人工心脏泵用无轴承电
Abstract : The basic principle of bearingless motors was int roduced , and t he origins and development s of bearingless permanent magnet - type motors were also overviewed. The excellences and significances adopting bearingless motors in semiconductor indust ries , chemical indust ries , biologic engineering , and so on , were dissertated in detail. In t he end , t he prospect of bearingless permanent magnet - type motors in R &D of China was viewed.
Key words : bearingless motor ;permanent magnet - type synchronous motor ; t heory ;application
1 无轴承电动机的基本原理
1. 1 基本结构 无轴承电动机 (bearingless motor) 的概念最初
悬浮力公式为
Fx
id
X
= ki
+ ks
(5)
Fy
iq
Y
无轴承电动机闭环控制系统通过检测转子径
向位移 ,进行负反馈控制 ,控制转轴上径向力的大 小和方向 ,实现转子稳定悬浮。无轴承电动机输出 的电磁转矩 ,是由洛伦兹力产生的 ,与普通电动机 没有差异 。
2 无轴承电动机起源及无轴承永磁电动机 研究现状
且是经济的 。无轴承永磁电动机像机械轴承支承
的电动机一样简单 ,电气控制系统并不复杂 ,在很
多领域采用无轴承永磁电动机也很经济 ,例如在电
气保养和维修方面 。
除瑞士苏黎世来自百度文库邦工业大学大力开展无轴承
永磁同步电动机的研究工作外 ,日本的 Ooshima
等[ 5 ]对表面凸装式无轴承永磁同步电动机进行了
研究 ,其最新研究成果是完成了对功率为 4kW、转
在 20 世纪后半叶 ,为了满足核能开发和利用 , 需要用超高速离心分离的方法生产浓缩铀 。离心 分离方法是否成功 ,取决于离心分离机工作转速的 高速程度 ,采用磁轴承能满足这个要求 ,于是在欧 洲开始了各种主动磁轴承研究计划。1975 年德国 的 Hermann 申请了无轴承电动机专利 ,专利中提出 电动机绕组极对数 pM 和轴承绕组极对数 pB 的关 系为 pB = pM ±1 。按 Hermann 提出的方案 ,在当 时是不可能制造出无轴承电动机样机的 ,因为不可 能制造出必要的控制设备。直到 20 世纪 80 年代 后期 ,瑞士苏黎世联邦工业大学 ( ETHZ) 的 Bich2 sel[ 2 ]才首次制造出了无轴承永磁同步电动机样机 。
的电流分量 。
另外 ,根据电磁场理论 , 当电动机转子和定子 偏心时 ,电动机内还存在和偏心位移成正比的麦克 斯韦力 ,它是一种固有的力 ,其表达式为
Fsx = ks X
(3)
Fsy = ks Y
(4)
式中 , ks 为径向位移刚度 ,与电动机的结构和参数有关 。
根据式 (1) ～ 式 (4) , 无轴承电动机所受径向
收稿日期 :2004 —02 —18 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50275067 ,60174052) ; 江苏省高技术研究项目 (B G2001029) ; 江苏大学高级人才启动 基金资助项目
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3 个自由度由被动磁轴承进行控制 ,其他 3 个自由 度由无轴承电动机单元主动控制 ,这就是薄片电动 机。图 2a 为薄片电动机的结构示意图 ,当转子从 平衡位置轴向偏移 (见图 2b) 或倾斜 (见图 2c) 时 , 转子受到相反的被动磁吸力 ,使其回到平衡位置。
刘贤兴 副教授
Development , Appl ication and Prospect of Bearingless Permanent Magnet - type Motors
Liu Xianxing Sun Yuxin Zhu Huangqiu Wang Deming Sun Yukun J iangsu University , Zhenjiang , 212013
图 5 4kW 无轴承 永磁电动机
研究和应用无轴承永磁同步电动机具有得天独厚
的条件 。
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3 无轴承永磁电动机的特点及应用
无轴承永磁电动机具有磁轴承的所有优点 :无 摩擦 、无磨损 、无污染 、不需润滑和密封 、高速度 、高 精度、寿命长等 ,并且无轴承电动机比磁轴承支撑 的电动机结构紧凑 ,为研究小型特种新型电动机提 供了设计空间。此外 ,无轴承永磁同步电动机与其 他无轴承电动机相比 ,还具有以下优点 : ①由于永 磁体的存在 ,电动机的励磁绕组电流就不是必要 的 ; ②相对于异步电动机为补偿相角需设复杂控制 回路而言 ,永磁电动机的控制回路简单 ; ③永磁电 动机的功率因数比同步磁阻电动机和异步电动机 要高 。
薄片电动机 ,其转子的 3 个自由度由被动磁轴承来
支承 ,大大降低了控制系统费用 ,并且已经发现在
很多领域具有很大应用价值 。
在 2000 年 ,Sliber[4]研制了无轴承永磁同步单
相电动机 ,再一次在无轴承电动机研究历史上前进
了一步 ,减少了无轴承电动机控制系统的费用 ,使
得无轴承电动机在实际应用中不仅仅是可行的 ,而
图 1 无轴承电动机的结构示意图
图 2 无轴承薄片电动机结构及被动轴承原理
1. 2 径向悬浮力产生原理 传统电动机中存在着两种不同类型的磁力 :洛
无轴承永磁同步电动机的发展 、应用和前景 ———刘贤兴 孙宇新 朱 秋等
伦兹力和麦克斯韦力 。无轴承电动机在电动机的定 子中嵌入了两套具有不同极对数的绕组 :电枢绕组 (极对数 pM) 和径向悬浮力控制绕组 (极对数 pB) 。 径向悬浮控制绕组电流的引入 ,打破了电动机原来 旋转磁场的平衡 ,使得电动机气隙中的某一区域中 磁场增强 ,而其对称区域磁场减弱 , 它产生的磁张 应力 (即麦克斯韦力) 将指向磁场增强的一方。图 3a 所示的无轴承电动机 ( pM = 1 , pB = 2) 两个磁场 的相互调制 ,使得转子左右侧气隙磁感应强度不均 匀 ,其结果使产生的麦克斯韦合力指向 x 轴的正方 向;图 3b中两个磁场的作用产生了沿 y 轴正方向的 悬浮力 。
Fix = kiid = ( kM ±kL) id
(1)
Fiy = kiiq = ( kM ±kL) iq
(2)
式中 , Fix 、Fiy 分别为径向力绕组通电产生的力分量 ; ki 为
径向力电流刚度 ; kM 为麦克斯韦力常数 ; kL 为洛伦兹力常
数 ; id 、iq 分别为转子磁场定向的旋转坐标系中 d 轴和 q 轴
由瑞士的 Bosch 于 20 世纪 80 年代末提出来[1] 。无 轴承电动机并不是说不需要轴承来支承 ,而是不需 设计或使用专门的机械轴承 、气浮或液浮轴承 。无 轴承电动机是根据磁轴承结构与电动机结构的相 似性 ,将磁轴承中产生径向悬浮力的绕组叠装在电 动机的定子上 ,只要确保电动机定子绕组产生的磁 场极对数 pM 与径向悬浮力绕组产生磁场极对数 pB 的关系为 pB = pM ±1 ,电动机本身就能产生大 小和方向可以控制的径向悬浮力和转矩力 。
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中国机械工程第 15 卷第 17 期 2004 年 9 月上半月
不可少的 。Bichsel[2] 研究成功的无轴承永磁同步
电动机的原样机就是建立在这些相关学科技术进
步的基础上的 。
无轴承永磁同步电动机要取得实际应用 ,关键
性突破是 1998 年 Barletta[3]研制了无轴承永磁同步