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无轴承永磁同步电机系统及其关键技术发展综述

许颖，朱熀秋

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.181504

1结构优化设计

1.1 典型电机拓扑结构

由于二自由度、四自由度和五自由度无轴承永磁同步电机各具优缺点，可按实际应用中所需电机要求，从空间利用率、结构尺寸、控制难易程度、应用领域限制等方面，进行合理地优化选取。

1.2 转子优化设计

如图1所示，以五自由度无轴承永磁同步电机为研究主体，其转子由永磁体和转子铁心组成，目前大致围绕这两个部件进行优化设计。本文主要从生产工艺、性能指标和使用范围角度，优化转子结构参数，提高设备的工作性能和运行效率；从尺寸、形状、材料、排列方式四个方面，为永磁体的选取和设计提供了参考价值。

图1  五自由度无轴承永磁同步电机机械结构图

1.3 定子优化设计

与转子结构相比，无轴承永磁同步电机的定子上嵌有二套绕组，实现定子绕组的优化设计成为研究热点。除了国内外广泛研究的如图2所示的单绕组结构外，实现双绕组间极对数、匝数比、绕线方式等方面的合理配置，成为转子稳定悬浮和悬浮力精确可控的有效途径。此外，针对定子铁心的优化设计方案也在进一步完善，将会成为无轴承永磁同步电机性能提升的一大研究方向。

2数学建模

虚位移法是求解径向悬浮力方程最为直接、简单的方法，但是由于实验过程中难以准确测量电感的参数值，所求表达式一般不精确。

麦克斯韦张量法能满足所建模型的计算精度和准确性，并有效地实现电机内部磁场间的解耦；在计及漏感、谐波、端部效应、磁饱和、磁阻损耗等因素后，系统建模过程较复杂。

电感矩阵法建模考虑了不同转子形状与不同电机类型，具有一定的通用性；但是此方法也是建立在实验基础上，建模概念较抽象。

机械/电气坐标变换法具有直观清晰的建模概念，并考虑了不同极对数下绕组磁链间的交链情况；但在模型推导过程中需要繁琐的坐标变换。

3控制技术

如图3所示，传统转子磁场定向控制一般用于实现电磁转矩控制。该控制方法满足了直流电机磁场信号控制交流电机的要求，具有较好的静态性能和控制精度；但该控制模型存在复杂的坐标变换，难以准确地检测转子速度，系统特性受电机参数尤其是转子参数变化的影响较大；因此在某种程度上制约了矢量控制的应用范围，通常在伺服电机和变频宽范围调速电机内使用。

图3  无轴承永磁同步电机磁场定向控制框图

与传统矢量控制方法相比，悬浮力绕组独立控制用于调节悬浮力大小和方向，而转矩采用通用变频器供电方式运行。由于省去了复杂的坐标转化环节且打破了磁悬浮理念的束缚，使其控制方法更多样化；但采用通用变频器驱动电机带负载运行，容易产生降容问题。通常可应用在对环境温度、开关频率等方面要求不高的超高速运行电机。

区别于上述两种间接控制策略，直接控制采用磁链观测器模型分别对转矩和悬浮力进行控制。该方法大大地减小了计算量并缩短了运行调节时间；但直接转矩/悬浮力控制对于电磁转矩和悬浮力皆采用砰－砰控制，而不是连续控制，因此会产生转矩脉动，从而使电机发出较大噪声甚至引起共振的问题。通常使用于起动速度快、过载能力强的运动控制系统中，如稀土永磁三相同步电机、电磁调速电机等。

非线性解耦控制可以将被控变量转化为具有线性传递关系的子系统，实现转矩和悬浮力分量之间的无耦合；但是控制系统的逆模型较复杂，在实际应用中控制器的设计也难以求取，所以目前处于理论分析和仿真阶段。

4发展趋势

4.1 无轴承永磁电机结构参数优化设计

传统等效磁路法是基于理想状态下的电机本体设计方法，建模过程中忽略了很多外界因素。为了获得精确化的参数，主要对单绕组驱动的无轴承永磁同步电机进行三维有限元分析，分别从机械损耗、涡流、绝缘层对线圈间的互感、悬浮力和磁链的影响进行了数值分析，得到精确的电机结构参数。为了实现转矩和悬浮力性能最优，在改变绕组结构、永磁体厚度、悬浮力绕组电流等参数后，通过有限元分析出参数变化对气隙磁密与悬浮力的影响，并找到一组最优参数，从而实现电机参数的优化配置。

4.2 高速高精度控制技术研究

近年来，虽然较多新型控制方法(如自校正、线性二次型、自适应等)被提出，但控制精度较低的问题仍难以解决。通过合理地将控制方法结合，可以实现电机控制精度的优化提升。此外，智能控制算法也需要被提出来实现电机参数的高精度在线辨识。除了采用模糊控制算法、遗传算法、神经网络等主流控制策略，新型智能控制器亦可实现系统的高速高精运行。

4.3 无速度和无径向位移软测量无传感技术

早期，无传感技术的研究是通过检测基波电压/电流信号，从而实现转子速度和位移的调节。此后，基于稳态方程的转差频率估计法将无传感技术应用到感应电机领域。针对具有空间凸极效应的转子结构，提出了转子凸极跟踪法，实现了全速范围下转子位置信息的精确检测。由于具备较强的鲁棒性和抗干扰能力，滑模观测器和卡尔曼滤波器在无传感技术中表现出较强的误差收敛性。此外，在凸极跟踪法的理论基础下，扩展了旋转注入和脉动注入两种新型的高频电压信号注入法，如何实现两种检测方法的平稳切换也成为研究重点。

4.4 高可靠性及容错技术

通常容错技术用于多相永磁同步电机，随着相数的增加，电机设备需要较多功率驱动装置，将会造成体积大、失效率高、散热量大等问题。因此，可根据电机相超额因数选取容错电机的相数。此外，国内外大多采用单一化的H桥结构，为了节省驱动与保护装置，需要进一步研究具有故障隔离能力且专用集成化的电路拓扑结构。

4.5 未来应用领域展望

无轴承永磁同步电机具备传统电机难以实现和替代的优势，如图4所示，在许多高速高精及洁净电气传动领域具有较为广泛的应用价值。目前，主要用于以下几个领域：1)离心机和空气压缩机等流体工业领域；2)涡轮分子泵和高速电主轴等先进制造工业中；3)放射性、高温辐射、有毒有害气体或液体等恶劣环境条件下，用驱动密封泵进行废料处理和密封传输；4)苏黎世联邦工学院与Levitronix公司研制的无轴承永磁电机驱动的血液泵和植入到体内的便携式心脏左心室辅助装置；5)超大规模集成电路等半导体工业领域；6)飞轮储能系统。

图4  国外高校和公司研制的无轴承电机

引文信息

许颖, 朱熀秋. 无轴承永磁同步电机系统及其关键技术发展综述[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(10): 2994-3006.

XU Ying, Zhu Huangqiu. Development of bearingless permanent magnet synchronous motor system and key technologies[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(10): 2994-3006(in Chinese)．

作者简介

朱熀秋教授带领的《电气传动系统理论与控制》科技创新团队，一直从事磁悬浮轴承和无轴承电机研究和应用工作。主持或完成国家863项目1项，国家自然科学基金项目14项，江苏省重点研发计划项目，江苏省高新技术项目2项，江苏省自然科学基金项目7项、江苏省“青蓝工程”项目和江苏省“333工程”项目等省部项目多项。

团队在磁悬浮轴承和无轴承电机领域的研究工作，2012年获得江苏省科学技术一等奖、2014年获得中国商业联合会科技进步一等奖、2011年和2015年获得教育部高等学校科学技术二等奖各1项，获得多项授权发明专利。在《中国电机工程学报》、《科学通报》、《中国科学》、《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》等国内外核心刊物上发表论文150余篇，其中三大检索100余篇。研究成果得到学术界和社会广泛关注和认可。

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责任编辑：朱腾翌

审核：乔宝榆

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