无轴承无刷直流电机关键技术应用现状

摘 要：无轴承无刷直流电机是一种新型的高性能电机，具备无摩擦、无磨损、高速度、寿命长、效率高、体积小、结构简单等特點。本文详细总结了无轴承无刷直流电机的关键技术，为进一步开展无轴承无刷直流电机的研究提供参考。

关键词：无轴承无刷直流电机；电机结构；控制策略；无传感技术

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

0 引言

无轴承无刷直流电机是一种将无刷直流电机和和磁轴承相两者功能相结合，不仅具备无刷直流电机结构简单、调速范围广等特点，还具备无轴承电机无需润滑、无摩擦磨损、无噪音、转速高、寿命长等多种优点，具有广泛的应用价值。

1 关键技术研究状况

1.1 电机结构及参数的优化设计

无轴承无刷直流电机的构造和以往的无刷直流电机相似，研究工作主要集中在电机定子结构的参数优化，转子永磁体材料、充磁方式和永磁体安置方式，转矩绕组和悬浮力绕组的绕组分布等方面，一些新型的电机甚至将转矩绕组和悬浮力绕组集成为一套绕组，以简化电机结构[1]。目前对于无轴承无刷直流电机并没有一种统一的结构，如何增加悬浮力，提高悬浮力性能，提高转速，减小转矩脉动，提高电机的稳定性将成为下一步研究的主要问题所在。

1.2 控制策略的应用

当前工业领域，科学的控制策略对提升电机性能方面具有不可或缺的功能。无轴承无刷直流电机属于具有代表性的非线性、多变量、强耦合的体系，传统的PID控制在工业领域中比较普遍，伴随控制理论与智能控制理论非线性控制方式的推出与使用，控制体系的稳定性与动态程度都获得了显著的提升[2]。模糊控制、自适应控制、神经网络控制、鲁棒控制等新推行的策略早已被运用到无轴承无刷直流电机的控制中，然而以上新推行的策略较为复杂，实现较为困难，需要进一步的探究，进而让无轴承无刷直流电机控制体系变得更为精致、智能、便捷以及高效。

1.3 无传感技术的应用

无传感技术在无轴承无刷直流电机中应用主要集中在转子角位置和径向位置的检测上。对于转子角位置的无位置传感技术与传统的无刷直流电机相同，主要方法包括：反电动势法、电感法、磁链法、续流二极管法、变电机结构法、观测器估计法和智能估计法等，其中反电动势法原理简单、实现方便，得到了广泛的应用。在转子径向位置的检测中，一般采用电涡流位移传感器进行直接检测，但是电涡流传感器造价昂贵，在一般的位移检测中，x和y方向各需要两个电涡流传感器形成差动电路，以减小误差提高精度，这将大大增加电机的投入，对工业领域造成了严重的影响。所以，对此类电机无位置传感技术的深入研究不仅可以降低电机制造的成本，提高电机运行的可靠性，更能为工业化发展奠定一定的基础[3]。

2 无轴承无刷直流电机应用趋势

2.1 生命科学领域

血液泵可以较好地替代心脏工作的变速、变容量，它具有体积小、效果好的特点。根据辅助模式的差异，可将其划分成人工心脏泵与心室辅助设备。选择磁悬浮技术的血液泵能够降低细胞受到的伤害和溶血、血栓的出现。

2.2 飞轮储能领域

飞轮储能属于一类通过电动机推动飞轮转子高速运行，把动能转变成机械能的储存设备。在能量转换的过程中，借助飞轮自身的惯性推动发电机释放出电能。电机是飞轮储能装置内实现能量转化的重要组成部分，对整体而言不可或缺。飞轮驱动电机具备转速高、运行稳定、生命周期长等优势[4]。磁阻电机噪音大、转矩脉动大、功率因数低，在当作发电机时要借助外部励磁。异步电机不适应高度运转、转子转差损耗大、控制复杂。该领域大多数专业人士会选择永磁无刷直流电机，这是由于无刷直流电机的优势比较显著，如构造单一、便捷性高、启动转矩大等。无轴承无刷直流电机不但具备以上优势，而且还可以降低传统机械轴承之间的摩擦力，能够大幅度提升飞轮储能的效率。

2.3 高速、超高速电机

对于高速、超高速电机来说，其速度能够到达一分钟少至几万多至几十万转的速度，这势必能够变成无轴承电机的施展拳脚的主要区域。现阶段，在计算机硬盘领域的运用比较常见，它能够促使硬盘盘片转动，是通过流体动态轴承FDB（Fluld Dynmaci Bearnig）提供的支撑作用。怎样提升电机转动速度也就是提升硬盘速度变成了改善硬盘性能的重要内容，而这种电机凭借自身没有摩擦损伤以及较高的转动速度等优势，在硬盘领域备受青睐。

2.4 航空领域

这种电机凭借自身没有摩擦损伤以及较高的转动速度等优势，能够降低液压气压体系的运用，进而减轻了航空电机自身的重量，提升了转动速度，让电机构造更为单一，生命周期得以拉伸，能够较好地满足航空领域的要求。

3 结束语

无轴承无刷直流电机作为一种新型的高性能电机，同时具备无刷直流电机和磁轴承的优点，潜在的应用前景十分广阔。本文对其无轴承无刷直流电机的关键技术进行总结，并分析了无轴承无刷直流电机的应用前景和发展趋势，为无轴承无刷直流电机的进一步研究奠定了理论基础。

参考文献：

[1]戈素贞.新型无轴承无刷直流电动机结构与模型研究[J].农业工程学报，2008，24（02）：131-135.

[2]许洁，刘贤兴，李兵伟.无轴承无刷直流电机的直接转矩控制[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2012，26（03）：266-270.

[3]黄雷，赵光宙，年珩等.永磁型无轴承电机悬浮系统的H∞鲁棒控制[J].控制理论与应用，2008，25（04）：711-716.

[4]徐衍亮，赵建辉，房建成.高速储能飞轮用无铁心永磁无刷直流电动机的分析与设计[J].电工技术学报，2014，19（12）：24-28.

作者简介：刘奕辰（1991-），男，江苏靖江人，硕士。