无轴承电机的原理及研究现状

无轴承电机的原理及研究现状

综　　述 REVIEW

无轴承电机的原理及研究现状

朱火晃秋1,邓志泉2,严仰光2,袁寿其1

(11江苏理工大学,江苏　镇江　212013;21南京航空航天大学,江苏　南京　210016)

摘　要:概述了传统电机、磁轴承支承的电机存在的性能不足和无轴承电机的优点,介绍了无轴承电机的基本原理、发展状况和关键技术的研究现状。关键词:磁轴承;电机;无轴承电机;原理

中图分类号:TM301.42　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001—6848(2000)06—0029—03

PrinciplesofBearinglessMotorsandResearchStatus

1221

ZHUHuang-qiu,DENGZhi-quan,YANYang-guang,YUANShou-qi

(11JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212013,China;21NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjiang210016,China)

Abstract:Inthispaper,someexistingproblemsofconventionalelectricmachinesandmotorssupportedbymagneticbearings,andsomeexcellenceofbearinglessmotorsaregenerallyindicated.Inaddition,thefundamentalprinci2ples,developingstatusandresearchactualityonkeytechnologiesofbearinglessmotorsaredescribed.Keywords:magneticbearings;motor;bearinglessmotor;principle

1　概　述

传统电力拖动系统中电机的转子,是用两个机械轴承来支承,因此转子运动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加了转子的摩擦阻力,使轴承磨损,降低轴承寿命,产生机械振动和噪声,而且会造成部件发热,使润滑剂性能变差,严重时会造成电机气隙不均匀,绕组发热,温升增大,从而降低电机的效率,缩短电机的使用寿命。特别是在高速机床、涡轮分子泵、小型发电机、高速飞轮等装备中需要用大功率的高速或超高速电机来驱动,用机械轴承来支承高速电机时,电机高速运转对机械轴承振动冲击更大,机械轴承磨损更快,大幅度缩短了轴承和电机的使用寿命,为此用机械轴承来支承高速电机严重制约着电机向更高速度和更大功率方向发展。为了克服机械轴承性能的不足,近20多年来发展起来的磁轴承(MagneticBearings),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高性能轴承。由于磁轴承具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长等一系列优良品质,从根本上改变了传统的支承型式,在能源交通、航空航天、机械工业及机器人等高科技领域具有较为广泛的应用前景。图1是由磁轴承支承的

高速电机结构示意图,转子要实现完全的悬浮需要在其5个自由度上施加控制力,即需要4个径向磁轴承和1个轴向磁轴承。一个完整的磁轴承系统由转子、传感器、控制器、功率放大器和电磁铁组成。磁轴承支承的电机虽然具有突出的优点,但在不同的应用领域依然存在如下问题:①电机的输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率,电机的轴向长度和径向尺寸必须要随之加大。由于磁轴承在轴向和径向都占有很大一部分体积,又为了在高速时能避开转子的临界转速,只能尽量控制电机本身的轴向长度,这样就导致提高电机的功率比较困难;而电机的转轴径向尺寸则受电磁体材料机械强度的限制。②磁轴承需要高品质的控制器、高性能的功率放大器和多个造价不菲的位移传感器等,导致磁轴承结构较为复杂、体积较大和成本较高,大大影响了由磁轴承支承的高速电机的使用范围和广泛应用

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图1　磁轴承支承电机的结构示意图

所谓无轴承电机,并不是说不需要轴承来支承电机转子,而是不需要设计专门的轴承。由于磁轴承结构与交流电机定子结构的相似性,把磁轴承中产

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收稿日期:2000-12-19