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学术综述︱无轴承无刷直流电机的咨议使用及繁

来源:沙巴体育发布时间:2019/11/27点击数:

  江苏大学电气信息工程学院的研究人员朱熀秋、郝正杰、潘伟、刁小燕,在2019年第21期《电工技术学报》上撰文指出,无轴承无刷直流电机是采用了无轴承技术的高性能无刷直流电机,它不仅具有无刷直流电机体积小、效率高、维护简便、调速性能好等特点,还兼备磁轴承无摩擦、无需润滑、洁净和寿命长等优点。

  该文首先介绍无轴承无刷直流电机悬浮力产生原理;其次针对国内外无轴承无刷直流电机已开展的研究工作,对其关键技术的研究现状进行归纳总结;然后阐述该电机在血液泵、飞轮储能等应用领域的研究;最后,为了提升无轴承无刷直流电机的性能,分析其现存的问题,展望无轴承无刷直流电机未来的发展趋势。

  磁轴承是产生可控磁悬浮力使转子稳定悬浮的机械元件。磁轴承具有无摩擦、无需润滑、洁净、高速高精和寿命长等特性,并且已经应用在高速或超高速驱动、人工心脏、涡轮分子泵和飞轮储能等领域。然而,为了使传动轴稳定悬浮,必须在传动电机的两端各安装一个径向磁轴承,导致转子轴向长度较长,降低了系统的临界转速。

  为了克服这一缺点,设计出无轴承电机,无轴承电机的悬浮力绕组和转矩绕组共同缠绕在电机定子齿上,能同时产生径向悬浮力和转矩。相比于磁轴承支承的电机,无轴承电机结构紧凑而且成本低,更有利于高速运行。

  迄今为止,已经研究并设计了多种无轴承电机,例如,无轴承同步磁阻电机、无轴承感应电机、无轴承开关磁阻电机、无轴承永磁同步电机、无轴承无刷直流电机等。无轴承无刷直流电机的研究虽然起步时间较晚,但由于它优越的性能,吸引了国内外学者的关注。1997年,国内学者王凤翔首次将无轴承技术应用于永磁无刷直流电机;2007~2009年,日本学者M. Ooshima对无轴承无刷直流电机结构、控制系统以及应用进行了系统性的研究。

  无轴承无刷直流电机除了具有无轴承电机临界转速和精度高、无摩擦磨损、无需润滑和洁净的优点外,与其他类型的无轴承电机相比,还具有体积小、质量轻、效率高、调速性能好等优点,因此在生命科学、飞轮储能和航空等领域展现出特有的优势和广阔的应用前景。

  本文首先介绍无轴承无刷直流电机悬浮力产生原理,然后总结无轴承无刷直流电机关键技术的国内外研究现状,并对目前无轴承无刷直流电机应用的研究进行归纳,最后根据无轴承无刷直流电机的发展要求以及尚存的不足,展望未来无轴承无刷直流电机的发展趋势。

  图1给出了三相12槽8极无轴承无刷直流电机本体截面图,定子齿槽均匀分布在定子内表面上,永磁体以表贴式嵌在电机转子表面,定子齿上的转矩绕组和悬浮力绕组采用集中绕组的方式,两种绕组的分布如图1所示,同相绕组串联连接。

  无轴承无刷直流电机转矩原理与传统无刷直流电机类似,这里不再赘述。悬浮力产生原理如图2所示,当电机转子角位置为0°时,B相悬浮力绕组B1、B2导通产生转子径向悬浮力,支撑电机转子稳定悬浮。当悬浮力绕组B1、B2通如图2所示方向的电流时,悬浮力绕组B1产生的磁通使气隙中磁密不均匀,气隙1处叠加的磁通密度增加,气隙2处叠加的磁通密度减少,根据麦克斯韦应力张量法得到转子径向悬浮力FB1。

  同理,通电B2悬浮力绕组能产生转子径向悬浮力FB2,通过控制B1、B2绕组电流的幅值和方向就能够产生x轴方向上的悬浮力Fx。同理可得,其他两相悬浮力绕组导通时,也能产生可控方向和幅值的转子径向悬浮力。

  血液泵是医疗领域必不可少的重要设备,由于传输媒介的特殊性,要求血液泵中的血液不受污染、不受破坏、减少凝血现象。无轴承无刷直流电机的磁悬浮特性恰好解决了血液泵的溶血和血栓问题,并且能提供更高的转矩/体积比。有学者介绍了一种新型心室辅助系统,采用血液泵与驱动电机为一体的无轴承无刷直流电机结构,电机的定转子为血液泵运转的动态稳定提供径向磁平衡力。相比于血液泵电机的原设计,新样机的性能有了显著提高,主要体现在电机效率提高10%以上,而功率损耗减少了1W。

  有学者提出一种新型的直驱式离心血液泵,以无轴承无刷直流电机驱动,转子与叶轮结合在一起安装在密封的泵壳里,定子在泵壳外并缠绕混合绕组来同时产生旋转转矩和悬浮力,采用双定子结构能够产生更大的转矩,可以作为血液泵甚至植入型人工心脏。

  有学者提出一个应用于可植入血液泵的无轴承无刷直流电机,泵结构和有限元(Finite Element Method, FEM)分析模型如图15所示。该电机巧妙地利用磁力和液压力来替代机械轴承,通过比较不同极数和相数的电机以得到最小体积,最后选择极对数为3、相数为2,并且定子选择软磁材料以提高电机的性能。

  有学者提出一个应用于血液泵的无轴承无刷直流电机,得到使转子稳定悬浮的新方法,它利用电机产生的磁力和永磁体产生的力,共同作用使整个系统稳定。

  飞轮储能把电能以飞轮转子高速旋转的机械能形式储存起来,当需要释放能量时,再利用飞轮带动发电机发电,是一种机电能量转换与储存装置。无论飞轮储能是在充电还是放电状态,电机都有着不可或缺的作用,是机械能和电能转换的核心部件,决定了飞轮储能系统的性能优劣。飞轮储能系统应用的电机需要满足的性能要求包括:高速运行;调速范围广、调速性能好;空载损耗低、工作效率高;输出转矩大、输出功率高等。无轴承无刷直流电机由于体积小、质量轻、调速性能好以及效率高的特点,相比于其他类型电机更适合作为飞轮储能系统的驱动电机。

  有学者提出一个应用于飞轮储能系统的环形绕组形式的无轴承无刷直流电机,如图16所示,具有功率高和径向负刚度小等特点。讨论了微型飞轮储能系统对于组件层次和系统级的优化设计过程,组件层次优化主要是轴承、驱动器和无刷直流电机的离散优化,系统级优化主要通过设计部件的尺寸以及位置来获得最大的能量储存能力;并且对飞轮储能系统的能量密度进行检。