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学术综述︱无轴承无刷直流电机的研究、应用及

日期:2019-12-05 08:57 作者:摩纳哥城赌场

  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测,发现检测到的能量密度远比预期的小,提高能量密度有两种方法,一种是提高转速,另一种是改变结构,之后的研究以这两点为中心来提高飞轮储能系统的能量密度。

  有学者对无轴承无刷直流电机飞轮储能系统进行了基础性研究,提出了一种新型电机结构,设计了其控制系统,阐述了转矩子系统电动机、发电机、待机三种状态控制和悬浮力子系统控制的实现。有学者基于飞轮储能结构提出了一个12槽8极外转子无轴承无刷直流电机,通过增加悬浮力绕组产生悬浮力来解决高速时机械损耗的问题,同时电机外转子结构能使飞轮储能装置简化紧凑。

  除了在血液泵、飞轮储能领域的应用外,无轴承无刷直流电机在流体泵、生物反应器的搅拌器以及计算机硬盘等要求高速、高效率和体积小的场合也得到了应用。有学者提出一个应用于小型流体泵的无轴承无刷直流电机,根据FEM的分析结果设计出了电机样机,当它应用在小型流体泵中时,最大转速为2 200r/min,最大流量为8.2L/min。

  有学者提出一种新型的无轴承无刷直流电机,具有转矩高的特点并应用于生物反应器的搅拌,通过样机实验发现转子径向位移小于60μm,转子能够实现稳定悬浮。有学者研究了无轴承无刷直流电机在计算机硬盘中的应用,具有高速且无噪声的优点。

  目前,国内外对无轴承无刷直流电机的研究尚处于实验阶段,为了使无轴承无刷直流电机满足高速、高精度、低成本的要求并且得到更多的实际应用,其发展趋势及研究重点应有以下几点:

  目前存在的传统无轴承无刷直流电机,由于存在结构特殊性和局限性,其未来发展不应着眼于取代面广量大的传统电机系统;应针对该电机的尺寸参数、转子结构、绕组极对数配置、绕线方式、线圈匝数等方面进行优化设计,并应用性能优异的新型材料,寻找与其特性契合的新应用或特殊应用,结合应用场合设计出具有新型结构的无轴承无刷直流电机。传统的无轴承无刷直流电机设计方法是用等效磁路法分析电机内部气隙磁通,建立数学模型,以满足转矩最大性能要求为目标,通过理论分析与工程经验得到磁轴承的设计方法,但在建模过程中忽略了谐波、端部效应、涡流损耗等多方面因素。

  为了使电机设计参数更精确,国内外主要采用有限元方法对参数进行分析验证,在改变转子磁路结构、绕组绕线方式、永磁体材料及厚度、定转子齿宽等参数后,通过分析参数变化对气隙磁密与悬浮力的影响,综合选取一组电机最优设计参数,实现电机本体结构优化配置。

  建立精确的数学模型是电机控制系统设计的关键环节,无轴承无刷直流电机是强耦合多变量系统,因此它对转矩和悬浮力数学模型的精确性、可行性和可靠性有很高的要求。目前无论是基于虚位移法还是麦克斯韦张量法建立的悬浮力数学模型都不能避免磁路饱和的问题,忽略了漏磁、齿槽效应,这在实际情况中都是不可忽略的因素。如果想要实现对电机的精确控制,就需要权衡考虑之前忽略的非线性因素,通过现代控制理论,结合数据建模与机理建模,建立更加精确的转矩和悬浮力数学模型。

  传统的无轴承无刷直流电机控制仍然采用经典PID算法,它的算法简单,但是在不同工况下,电机参数变化对电磁转矩和径向悬浮力影响更为明显,精度不能满足现代发展的要求,需要对电机绕组电感、电阻等参数变量进行在线辨识,弱化参数变化对电机性能的影响,提高系统悬浮运行的鲁棒性。随着DSP和电力电子器件的发展,可以实现先进控制算法对电机系统的控制,例如:神经网络控制、模糊控制、自适应控制等。采用先进控制算法能够提高电机的抗干扰能力和可靠性,从而提高电机的效率。

  为了进一步提高悬浮力系统的精度以及稳定性,需要研究高性能的智能控制算法,对绕组电感、电阻等参数变量进行在线辨识,弱化参数变化对电磁转矩和径向悬浮力的影响。此外,利用面向电机控制的最新的高速数字信号处理器,研发模块化、集成化的智能控制器,有利于提高整个无轴承无刷直流电机的抗干扰能力和可靠性。

  转子角位置是无轴承无刷直流电机转矩绕组和悬浮力绕组控制导通的依据,径向位移是悬浮力控制系统的反馈量,因此它们的检测是控制环节中最基础的一步。然而,位置传感器的价格昂贵,受环境温度影响大,并且为了达到位置检测的精确,必须要安装多个位置传感器,这样导致电机的成本高而且可靠性不能得到保障。因此,无传感器技术是未来无轴承无刷直流电机研究的必然趋势。

  早期,无传感技术的研究是通过检测基波电流信号,从而实现转速和位移的调节。随着无传感技术的发展,无轴承无刷直流电机的无传感技术主要研究可分为:无速度和无位移无传感技术两种基本类型。

  在无速度无传感技术方面,有关学者提出了一种基于卡尔曼滤波器的无轴承无刷直流电机转子转速估计算法,并推导出转速估算公式;在无位移无传感技术方面,基于RBF神经网络和基于反电动势过零点检测法的Cuk变换器驱动的无刷直流电机无传感器技术,为无轴承无刷直流电机无传感器自检测技术提供了新思路。

  5)转矩和悬浮力脉动抑制。在旋转电机中,由于转子质量不平衡,电机的转矩和悬浮力容易产生较大脉动,很大程度上导致了电机的使用寿命缩短和运行安全等问题。此外,由于无轴承无刷直流电机换相过程中的电枢磁场不是旋转磁场而是跳跃式的步进磁场,这种磁场产生的电磁转矩和悬浮力是脉动的,在实际运行中容易产生转速抖动和噪声。

  传统抑制换相转矩脉动的方法有重叠换相法、滞环电流法、PWM斩波法和电流预测控制,借助现代控制理论,基于新型拓扑结构研究、电流滞环控制和准Z源网络的换相转矩脉动抑制方法已经在无刷直流电机中得以实现,能有效地提高和发挥电机性能,将其应用在高精度高要求场合的无轴承无刷直流电机转矩和悬浮力脉动抑制中也是今后的研究发展趋势。

  随着无轴承无刷直流电机的深入研究和应用拓展,需要研究无轴承无刷直流电机容错控制和高可靠性技术。传统的三相四开关逆变器的容错模式会使相电流和相反电动势产生畸变,从而产生较大的转矩和悬浮力脉动,因此需要改进和优化容错拓扑,同时,新型容错控制策略也能提高无轴承无刷直流电机的可靠性。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。

  根据无轴承无刷直流电机径向悬浮力数学模型可以发现悬浮力与转矩之间存在较强的耦合,当悬浮力或转矩受到外界扰动时,同时分别会对电机的瞬时转矩和瞬时悬浮力产生影响,因此需要对转矩和悬浮力实现解耦控制。上述采用基于线性化反馈控制的方法实现了悬浮力和转矩控制之间的基本解耦,但在高速精密运行时,尚未实现两者之间的非线性动态解耦。基于逆系统解耦、最小二乘支持向量机、神经网络逆系统等方法的解耦控制策略在无轴承永磁电机和无轴承异步电机中能够有效减小悬浮力与转矩间的耦合,具有良好的动态性能,将其应用于无轴承无刷直流电机中实现解耦是未来的研究方向。

  另外,针对无轴承无刷直流电机绕组交替控制的特点,对悬浮力绕组和转矩绕组电流的分时控制也能够减小悬浮力和转矩的耦合,这种思想也可以用于无轴承无刷直流电机解耦控制。

  无轴承无刷直流电机同时具备无刷直流电机体积小、效率高、调速性能好等优点以及磁轴承无摩擦磨损、无需润滑、洁净等特点,在血液泵、飞轮储能等领域有广阔的应用前景。本文在介绍无轴承无刷直流电机悬浮力产生原理的基础上,对电机结构优化、数学模型、控制策略和应用研究等方面进行了全面的阐述,指出了无轴承无刷直流电机的研究发展趋势。但无轴承无刷直流电机研究起步较晚,研究不够完善,无法满足实际应用的要求,仍需要在无传感技术、本体优化、先进控制策略以及高可靠性容错技术方面做进一步的探索。

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