无轴承永磁电机及其控制

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无轴承永磁同步电机研究现状与发展趋势

Ｚｅｊｎ１０３ｈｎ）ｈｎｉｇ２２１，Ｃｉａａ
ＡｂｔａｔｅｒｇｅｓｅａｅｔｇｅｓｎｈｏｏｓｍｔＰＭ）ｉａｈｇｅｆｍａｃＭＳｓｃ：Ａｂａｉｌｒｎｎｍａｎｔｙｃｒｎｕｏｏｒｎｓｐｍｒ（ＭＳｓｉｈｐｒｒｎｅＰＭｏ
微电机
无轴承永磁同步电机研究现状与发展趋势
成秋良，朱烷秋，王成波，王海涛
（江苏大学电气信息工程学院，镇江２２１）１０３
摘
要：无轴承永磁同步电机同时具备永磁同步电机的优良特性与磁悬浮轴承的特点。分析了国内外
无轴承永磁同步电机研究现状，指出其发展规律；总结了目前国内外无轴承永磁同步电机结构与控制策略方面的研究成果，为其结构改进与控制优化提供参考；分析了无轴承永磁同步电机发展趋势，为
ａｏｔｎｅｒｎｌｓｅｈｏｏｙ，ａａｈｘｅｌｎｈｒｃｅｓｉｓｏＭＳａｄｔｅｆａｕｅｆｍａ－ｄｐｉｇｂａｇｅｓｔｃｎｌｇｉｎｄｈｓｔｅｅｃｌｅｔｃａａｔｒｔｃｆＰＭｎｈｅｔｒｓｏｇｉｎｔｃｂａｎ．Ｂａｅｎｔｅｍｅｈｄｏｏｕｎｔｔｓｉｓ，ａａｙｅｎｅｎｔｎｌａｄｄｏｓｉｅｅｒｈｅｉｅｒｇｉｓｄｏｈｔｏｆｄｃｍｅｔｓａｉｔｃｎｌｚｄｉｔｒａｉａｎｍｅｔｃｒｓａｃｏ
对ＩＥ／ＥｌｃｏｉＬｂａ（Ｅ）据库，ＥＥＩＥＥｅｔｎｃｉｒＩＬ数ｒｒｙ２０（括２００７年包０７年）之前的检索结果进行了统计

五自由度无轴承永磁同步电机非线性动态解耦控制

摘要：针对五自由度无轴承永磁同步电机这一强耦合性系统，提出一种最ｄ＂－－乘支持向量机（Ｌｓ —
ＳＶＭ）ＯＬ阶逆模型构建及其解耦控制方法。在给出了三自由度交直流磁轴承悬浮力方程和径向两自由度无轴承永磁同步电机转矩力、径向力方程基础上，建立了电机的五自由度状态方程。在分析系统可逆的情况下，将ＬＳ — ＳＶＭ的非线性逼近能力与逆系统方法的解耦线性化相结合，对五自由度无轴承永磁同步电机进行解耦控制。仿真结果表明，使用该控制方法能使系统稳定运行，并且能够实现五自由度无轴承永磁同步电机各自由度之间的解耦控制，且具有良好的动静态性能。关键词：五自由度；无轴承；永磁同步电机；ｙｓｔｅｍｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅ５ｄｅｇｒｅｅ — ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ（ＤＯＦ）ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｃ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓｓｕｐｐｏｒｔｖｅｃｔｏｒｍａｃｈｉｎｅ（ＬＳ — ＳＶＭ） — ｔｈｏｒｄｅｒ
电札再控制应闭２０１３．４０（３）
控制与应用技术ＥＭＣＡ

永磁型无轴承电机悬浮系统的PID-PD控制

悬浮绕组电流的关系可以写为：
ｒｒ
控制目标。
＝ —— 一ｉｌｓ＝， —— 一２０／ｌＩｇ、￡２Ｉｌ￣ｏｔｍ２ｇＶｌｍＬ
。１）（
式中：，为水平和垂直方向的可控悬浮力（应于位移对
ｔｌｒｉｄｓｇｅ．ｅｉｅ，ｈｅａｉｎｈｐｏｈｓｓｈｍｅａｄｔｅｃａｓＩｃｎｒｌｅｎｂａｉｇｅｓｓｓｅｉｎ — ｒｌｓｅｉｎｄＢｓｄｓｔｅｒｌｔｓｉｆｔｉｃｅｎｈｌｓｉＰＤｏｔｏｌｒｉｅｒｌｓｙｔｍｓａａｏｅｏｃｎｌｚｄ，ｎｔｉｉｄｃｔｄｔａｈｏｔｌｓｒｔｇｎｉｎｄｃｕｄｂｓｄｆｒｔｅａｐｏｉｔｎａｄｐｅｉｔｎｏｏ — ｙｅａｄｉｓｎｉａｅｈｔｔｅｃｎｒｔｅｙｍｅｔｅｏｌｅｕｅｈｐｒｘｍａｉｎｒｄｃｉｆｃｎｏａｏｏｏｏ
（．１浙江大学，电气工程学院，浙江杭州
敏，程帅
３０１）１０３
３０２；２浙江科技学院，１０７．电气学院，浙江杭州
摘要：Ｉ制器被广泛应用于控制各种稳定的系统，ＰＤ控其参数可采用Ｚｅｌｉｏｓ的方法进行确定，ｉｇｒＮｃｌｅｈ但对于不稳定系统采用ＰＤ控制，Ｉ一般需进行大量的调试工作。此处采用双环ＰＤ控制，Ｉ先将系统内环转化为稳定的控制模型，通过外环控制器改善系统性能，对永磁型无轴承电机（ＭＢ的数学模型，再针ＰＭ）设计了ＰＤ．Ｄ控制ＩＰ器。此处给出了无轴承系统ＰＤ．Ｄ控制与传统ＰＤ控制间的关系，ＩＰＩ即该方法可用于永磁无轴承电机调试现场中ＰＤ参数的预估．真和实验证明了该方法的可行性。Ｉ仿

无轴承永磁同步电动机永磁体参数优化设计

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｈｓｐｐｅ，ｔｅｐｒｎｉｅｏａｉｌｓｓｅｓｏｏｃｓｐｏｕｃｉｎｆｒｂａｉｇｅｓｐｅａｎｔｉａｒｈｉｃｐｌｆｒｄａｕｐｎｉｎｆｒｅｒｄｔｏｏｅｒｎｌｓｒ — ｍ
维普资讯无轴承永磁源自步电动机永磁体参数优化设计朱幌秋
范海燕
李
烽
中图分类号：Ｔ３１Ｔ３１Ｍ４Ｍ５
文献标识码：Ａ
文章编号：１０－８８２０）９０３－４０１４（０７０－０７０６
无轴承永磁同步电动机永磁体参数优化设计
ｔｇｆｉｌｎｅｈｄ（Ｅ．ＴｅｓｄｅｕｔｐｏｉｅｒｆｅｃａｕｒｏｔｉｉｘｍｌｒｉｎｅｅｍｅｔｔｏＦＭ）ｈｔｙｒｓｌｒｖｅｅｎｅｖｌｅｆｂａｎｇｍａｉａａｎｉｔｅｍｕｓｄｒｏｎ —
ｄａｕｐｎｉｎｆｒｅｎｐｉｚｎｎｅｉｎｎＭＳ．ｉｌｓｓｅｓｏｏｃｓａｄｏｔｍｉｉｇａｄｄｓｇｉｇＢＰＭＫＥＹＯＲＤＳ：ＢｅｒｎｌｓＰＭＳ；ＲａｉｌｓｓｅｓｏｏｃＷａｉｇｅｓ；Ｍｄａｕｐｎｉｎｆｒｅ；ＦＥＭ；Ｏｐｉｚｔｏｅｉｎｔｍｉａｉｎｄｓｇ
ｔｉｃｉｅｃｍｐｒｎｔｔｅｔｒａ，ａａｉｎｅ—ｙｅｍａｎｔｎｓｒａｅａｅｕｅｒｄｓｇｉｇｈｓｍａｈｎｏａｇｗｉｏｈｒｍａｅｌｎｄｓｌｃｔｐｇｅｓｏｕｆｃｒｓｄｆｅｉｎｎｉｈｉｅｏａｄｆｘｎｎｉｇ．Ｔｈａａｉｎｒｌｔｏｅｗｅｎｒｄａｏｃｓｔｅｔｉｋｎｓｆｐｒａｅｔｍａｎｔａｕｒｎｓｉｅｖｒｔｏｅａｉｎｂｔｅａｉｆｒｅ，ｈｈｃｅｓｏｅｉｌｍｎｎｇｅｎｄｃｒｅｔｉａｉｌｆｒｅｗｉｄｎｓｉｌｏｓｕｉｄｉｈｈｏｙ．ＴｎｔｅｒｄａｕｓｅｓｏｏｃｓｏｎｒｄａｏｃｎｉｇｓａｓｔｄｅｎｔｅｔｅｒｈｅｈａｉｌｓｐｎｉｎｆｒｅｆＢＰＭＳｕｓｄＭｅｉｒｃｉｅａｅａｃｕｔｄａｄａａｙｅｏｓｄｒｎｇｅｉｉｃｔｓｔａｉｎａｄｎｎｉａｔｙａｏ — ｎｐａｔｃｒｃｏｎｅｎｎｌｚｄｃｎｉｅｇｍａｎｔｃｒｕｉａｕｒｔｎｏｌｉｃｏｎｅｒｙｂｄｐｉ

基于DSP无轴承永磁同步电机控制系统设计

３．南京西门子有限公司，苏南京江
摘要：了控制无轴承永磁同步电机的旋转和转子的稳定悬浮，为设计出了以Ｔ３０Ｆ４７为微处理Ｍｓ２Ｌ２ＯＡ器核心的无轴承永磁同步电机控制系统，充分利用Ｔ３０Ｆ４７的中断系统设计出能同时控制电机ＭＳ２Ｌ１０Ａ２
无轴承永磁同步电机的控制必须同时实现转矩控制和径向力控制，且还是一个强实时控制系统，并控制软件不仅要保证执行过程和结果的正确，同时还必须保证在数字控制系统允许的时间范围内完成控制量的
是通过控制气隙磁场产生的，电机带有负载时转矩当绕组中电流Ｌ不为０径向力绕组电流与径向力之间，
ｔｌｌｔｍａｎｔｒｕ，ｈｔｏｉｏｎｌｉｃｅｋｄｂＥｎＡ６Ｎ．ｔａｔｔｅｃｍｍｎｒｅｒｇｅｃｔｑｅｔｅｍｏｒｐｓｉａｇｓｈｃｅｙＱＰａｄＣＰＩＴＡｓｈｏａｄｏｅｃｏｉｏｏｔｎｅｌ，・ Nhomakorabea４８・
《测控技术｝００年第２第９期２１９卷
基于ＤＰ无轴承永磁同步电机控制系统设计Ｓ
张
（．南京信息职业技术学院，１江苏南京
磊，李同华
２０１１０６；
２０４）１０６
２０４；．南京航空航天大学自动化学院，１０６２江苏南京
存在一个由电机负载引起的电角度，时的数字控制此系统构成如图１所示。图中，为无轴承永磁同步电动机角速度的命令值（单位为ｒｄ，子实际的角速度由光电编码器检ａ）转

无轴承永磁同步电机数字控制系统的设计

第４４卷第５期２１年５月００
电力电子技术
ＰｏｒＥｌｃｒｎｉｓｗｅｅｔｏｃ
Ｖｏ．４，Ｎ．１４ｏ５Ｍａ，０１ｙ２０
无轴承永磁同步电机数字控制系统的设计
张磊１，俞，２跃，同华。李
２０１）１０６（．京信息职业技术学院，苏南京１南江２０４；．航空航天大学，苏南京１０６２南京江
ｚＨＡＮＧｅ－Ｌｉ－．ＹＵｅ．ＬＩＴｎ．ｕＹｕｏｇｈａ
（．ａｉｇＣｌｇｎｒｔｎＴｃｎｌｙＮｎｉ１０６Ｃｉ；１ｎｎｏｅｅｏｆｍａｏｅｈｏｇ，ａｊｇ２０４，ｈｎＮｊｌｆｉｏｉｏｎａ
无轴承ＰＭ的气隙磁场由永磁体、ＭＳ电机定子绕组
和径向力绕组三者产生的磁场组成，隙磁场方向气
确定的准确度直接影响到对电机转子的径向控制。
当电机带有负载时，转矩绕组中电流ｉ。ｑ即 ≠０
ｖｃｏｏｔｌｍｅｈｄｉｕｅｏｏｔｉｅｔｅｄｃｕｌｇｃｎｒｌｂｔｅｎｒｖｌｉｇｔｒｕｎａｉｌｆｒｅ，ｅｄｇｔｌｅｔｒｃｎｒｔｏｓｓｄｔｂａｎｈｅｏｐｉｏｔｏｅｗｅｅｏｖｎｏｑｅａｄｒｄａｏｃｓｔｉｉｏｎｈａ
・
２ＮｎｉｇＵｉｒｔｏａｅｏａｔｓｎｓｏａｔｓＮｎｉ２０１，ｈｎ）．ａｎｎｅｓｙｆｎｕｉｄＡｔｎｕｉ，ａｊ１０６Ｃｉａｊｖｉｒｃａｒｃｎ

无轴承永磁同步电动机悬浮力的前馈解耦控制方法

在同步旋转ｄｇ坐标下，面式无轴承永磁同步、表
电动
机悬浮力
交叉耦合关系，严重时会导致转子悬浮失败，因此无轴承电机永磁同步电动机的解耦控制是实现其稳定
悬浮和调速运行的关键环节。
迄今有关无轴承永磁同步电动机悬浮力的解耦方法，一种是采用完全依赖于被控电机精确模型的解析逆系统方法Ｊ该方法仅能实现近似解耦，，对电机参数变化和负载扰动的鲁棒性较差；一种是另
０引言
无轴承永磁同步电动机将用于产生径向悬浮力的悬浮绕组和普通永磁同步电动机固有的转矩绕组
起叠放在定子中，而实现转子的稳定悬浮和电从磁转矩输出【２。无轴承永磁同步电动机具有高转１］－
；ｉ使得转矩和悬浮力之间存在耦合，外相互垂直此
ｊ的两悬浮力分量也通过各自的控制电流ｉｉ形成交叉耦合，消除上述多变量之间的耦合关系是实现
ｊ电机稳定悬浮的前提。当电机转子偏心时，转子上会产生单边磁拉力
间以及悬浮力和电磁转矩之间的解耦控制是提高其系统性能的关键。建立了无轴承永磁同步电动机耦合的悬浮力模型，出了一种前馈解耦方法，提设计了前馈解耦控制器，将之串接于悬浮子系统中，实现了上述多变量之间的完全
解耦，进行了控制系统的仿真研究。仿真结果证实了控制方案的可行性，控制系统具有优良的动、静态调节性能。

无轴承永磁电机悬浮波动抑制策略

ｉｇｐｆｒａｃａｆｅｔｄｉｈｅｌｖｔｔｏｎｆｕｃｕｔｏｓｌｇ．Ｉｓｖｔｌｔｏｎｔａｎｔｅｉａｉｎｆｕｃｕ— ｎｅｒｏｍｎｅｃｎｂｅａｆｃｅｆｔｅｉａｉｌｔａｉｎｉａｒｅｔｉｉａｏｃｓｒｉｈｅｌｖｔｔｏｌｔ，苏南京２０１）江１０６
摘要：轴承电机运行过程中不可避免地产生悬浮波动。悬浮波动过大会影响电机性能，效抑制悬浮无有
波动是保证电机正常工作的关键。考虑到无轴承电机悬浮控制常用的ＰＤ控制算法对扰动抑制针对性不强Ｉ的缺点，分析悬浮波动源和常规观测算法不足的基础上，一种交替极无轴承永磁电机为研究对象，出利在以提
（．Ｄｅａｔｎｆｅｔｉａｎｅｔｏｉｇｎｅｉｇ，ＮａｊｎｎｔｕｅｏｎｕｔｙａｄＴｃｎｌｇ１ｐｒｍｅｔＥｌｃｒｃｌａｄＥｌｒｎｃＥｎｉｅｒｎｏｃｓｎｉｇＩｓｉｔｆＩｄｓｒｎｅｈｏｏｙ，ｔ
Ｎａｊｎ１０６Ｊａｇｕ，ｈｎ２ｎｉｇ２０４，ｉｎｓＣｉａ；．ＣｏｌｇｆＡｕｏｔｏｇｎｅｉｇ，ＮａｊｎｉｅｓｔｌｅｅｏｔｍａｉｎＥｎｉｅｒｎｎｉｇＵｎｖｒｉｙ
电气传动２１０２年第４２卷第８期
ＥＥＴＲＣＤＲＶＥ２１Ｖｏ．２Ｎ．ＬＣＩＩ０２１４ｏ８

永磁无刷直流电机(电机控制)课件

设备的驱动。
新能源
用于风力发电、太阳能发电等新能源设备的驱
动和控制。
汽车电子
用于电动汽车、混合动力汽车等车辆的驱动和
控制。
其他领域
如航空航天、医疗器械、智能家居等需要高精
度控制的领域。
02
电机控制系统
控制系统概述
控制系统是永磁无刷直流电机的重要组成部分，用于实现电机的启动、调速、制动等功能。
永磁无刷直流电机通过控制电流的相位和幅值，实现电机的启动、调速和制动等功能。
结构与特点
结构
永磁无刷直流电机由定子、转子和控制器三部分组成。定子包括永磁体和电枢绕组，转子为金属导体。
特点
具有高效、高可靠性、高控制精度、长寿命等优点，适用于需要高精度控制的应用场景。
应用领域
工业自动化
用于各种自动化生产线、机器人、数控机床等
电磁干扰和噪声
无刷直流电机在运行过程中会产生电磁干扰和噪声，对周围环境和人体健康造成一定影响，需要采取措施进行抑制。
未来研究方向
高效能电机及其控制技术
研究新型的电机结构和控制策略，以提高电机的能效和稳定性。
智能感知与故障诊断
利用传感器和智能算法，实现对电机系统的实时感知和故障诊断，提高系统的可靠性和安全性。
模糊控制算法
总结词
模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制算法，通过模糊化输入变量和模糊规则实现控制输出。
详细描述
模糊控制算法将输入变量的精确值模糊化，转换为模糊集合，然后根据模糊规则进行逻辑运算，得到输出变量的模糊集合。最后，对输出变量的模糊集合进行去模糊化，得到精确的控制输出。模糊控制算法能够处理不确定性和非线性问题，适用于永磁无刷直流

无轴承电机的结构设计说明

. . . .毕业设计报告（论文）课题名称无轴承电机的结构设计专业机电学生学号指导教师王起讫日期2011年5月--2011年11月设计地点摘要为了减小磁轴承电机的轴向长度、提高临界转速、缩小系统体积和提高系统的可靠性，实现磁轴承的集成化、小型化，本文针对无轴承电机的一种新型的永磁偏置径向轴向磁轴承进行了初步的研究。

在我们日常生活中精密数控机床、涡轮分子泵、小型发电机或高速飞轮储能等装备中需要用大功率的高速超高速电动机（以下简称为电机）来驱动。

我们知道，电机高速运转对机械轴承振动冲击大，机械轴承磨损快，大幅度缩短了轴承和电机使用寿命，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。

近 20 多年来发展起来的磁轴承（ Magnetic Bearing ) ，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机械接触的一种新型高性能轴承。

经过这次毕业设计，我的收获不小。

由于本次设计的无轴承电机是较先进的机电一体化产品，运用到控制理论、电磁学理论、电子理论、机械设计等许多方面的知识，涉与面很广。

因此，通过一次设计，不仅巩固了本专业的基础知识，并且学到了许多有关电子信息方面的知识，兼培养了自己的综合设计能力。

由于本人水平有限，时间仓促，文中难免有错误和不足之处，敬请老师与同学谅解并予以指正。

目录第一章11.1 无轴承电机的研究意义与现状11、无轴承电机的研究意义12、无轴承电机的研究现状32.1 无轴承电机的发展状况32.2 无轴承电机的关键技术的研究现状32.3 无轴承电机的应用现状4第二章机械结构的设计52.1 引言52.2 无轴承电机的系统设计51、转轴部件主要结构尺寸的设计62、主轴上零件的布置62.3无轴承电机的总体结构设计72.4 无轴承电机主要零部件的结构设计71、无轴承电机磁悬浮轴承总体结构设计82、永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计82.5 无轴承电机的主要零件结构设计101、电磁轴承的定子与转子102、传感器支架与其基准环103、缸筒124、转轴13第三章磁悬浮轴承的工作原理143.1 引言143.2 磁轴承的组成151、磁轴承的机械系统152、磁轴承的偏磁回路153、磁轴承的控制回路163.1 控制器163.2 功率放大器163.3 传感器163.3 磁轴承的基本工作原理171、永磁偏置径向轴向磁轴承的基本结构和工作原理18 第四章结论21致21第一章1.1 无轴承电机的研究意义与现状1、无轴承电机的研究意义一些精密数控机床、涡轮分子泵、小型发电机或高速飞轮储能等装备中需要用大功率的高速超高速电动机（以下简称为电机）来驱动。

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2 m Fe m 0 2 B z ( Bn m Fe m 0 H t2 ) n 2m Fe m 0 2m 0
上海大学
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无轴承永磁电机数学建模（以表贴式为例）
麦克斯韦力作用方向垂直于转子表面，一般分析电机气隙磁场时都是假定气隙磁密是对称均匀分布的，此时其合成麦克斯韦力为零，如左图所示。
无轴承永磁电机及其控制
上海大学机自学院自动化系仇志坚 qiuzhijian@
无轴承永磁电机及其控制
无轴承永磁同步电机研究现状
无轴承永磁同步电机结构原理
无轴承永磁同步电机建模方法
无轴承永磁同步电机解耦控制策略
无轴承永磁同步电机控制系统
上海大学
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永磁型无轴承电机研究现状
上海大学
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无轴承永磁电机及其控制
无轴承永磁同步电机研究现状
无轴承永磁同步电机结构原理
无轴承永磁同步电机建模方法
无轴承永磁同步电机解耦控制策略
无轴承永磁同步电机控制系统
上海大学
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无轴承永磁电机结构（以表贴式为例）
三相对称分布绕组N1A，N1B和N1C与普通永磁同步电机相同，主要用于产生无轴承永磁同步电机的电磁转矩，一般称之为转矩控制绕组（极对数p1=2，电角频率w1）；另一套三相对称分布绕组N2A，N2B和N2C用来产生磁悬浮力，控制电机转子径向悬浮，一般称之为悬浮控制绕组（极对数p2=1，电角频率w2）。
上海大学
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永磁型无轴承电机研究趋势
（3）无轴承电机新型结构的研究
传统的永磁型无轴承电机以表面贴装式永磁电机为主，其悬浮力和转矩输出能力相互制约，永磁体厚度的选择必须折中考虑，太厚或太薄分别对悬浮力和转矩输出都有不利的影响，从而导致电机承载力和刚度较小、弱磁能力差、永磁体易退磁等诸多问题，严重制约了永磁型无轴承电机的应用和发展。 ①永磁体转子两端附加一套转子铁心，构成永磁-磁阻混合型转子结构，以此提高转矩和悬浮力。 ②交替极（consequent-pole）永磁型无轴承电机从定转子磁路结构上实现了电机转矩控制与悬浮控制的解耦，悬浮力的控制不再需要转矩控制绕组磁场定向的位置角，从而在电机本体设计的角度上解决了控制的耦合性。 ③此外，传统的无轴承电机本身只能实现两自由度的悬浮，而对必须实现五自由度稳定悬浮的整个电机控制系统来说，尚需要磁轴承或其他部件来控制剩余三个自由度的悬浮。（轴向主动悬浮的三自由度无轴承电机） ④单绕组无轴承永磁电机：通过改变转矩绕组的连接方式和控制方法，一套绕组即可实现电机的无轴承化。
上海大学
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永磁型无轴承电机研究趋势
（2）无轴承电机本体优化设计的研究
目前永磁型无轴承电机本体研究主要是对现有永磁型无轴承电机定转子尺寸、转子永磁体结构形式、定子槽形优化、两套绕组匝数和线径及其绕制方式的设计研究。仍然是将转矩控制绕组设计与悬浮控制绕组设计割裂开来，借鉴了普通电机转矩控制绕组的设计过程与经验公式来设计悬浮控制绕组，没有对悬浮控制绕组匝数、线径与槽满率及悬浮功率，悬浮力与悬浮性能之间的优化原则进行系统细致的分析研究。因此也无法像普通电机转矩控制绕组设计那样从总体上把握与预测所设计出的电机性能优劣，同时无轴承电机转矩控制绕组的设计目前也没有考虑在附加了另一套绕组之后对转矩控制绕组电磁耦合的影响。特别是在高速、超高速情况下，转子永磁体与两套绕组如何优化设计才能使电机电磁性能最优，对现有永磁型无轴承电机的本体研究具有重大意义。
上海大学
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永磁型无轴承电机研究趋势
（5）无速度无位移传感器技术的研究
永磁型无轴承电机采用的磁场定向控制的性能受需要检测的转子位置和速度精度的影响较大，而悬浮力与转矩的解耦控制性能又受转矩控制绕组所检测的气隙磁场空间位置与幅值的影响。对在高速领域具备独特优良性能的无轴承电机来说，显然采用机械式传感器显得不合时宜。因此研究无轴承电机的无位置/速度传感器运行已成为无轴承电机实现高速、超高速化的迫切需要。检测转子悬浮位移的电涡流传感器一方面存在安装精度与可靠性问题，另一方面传感器数量多，造价昂贵，又占有一定的轴向检测空间，增加了无轴承电机系统的体积和长度，不利于无轴承电机的实用化。现有无位移传感器检测技术都是基于电机绕组自感变化或互感变化的，有通过绕制在定子齿上的附加探测线圈测量出包含转子位移信号的差动电压信号来辨识转子位移，也有从悬浮控制绕组功率变换器的开关信号中提取转子位移信息的，还有利用高频电压注入法在悬浮控制绕组中施加高频激励来获取转子位移信号的。现有的无位移传感器技术的研究尚处于起步阶段，所提取的转子位移信号还未能满足工业实际应用。
位置传感器基准环定子转子永磁体悬浮端 . 光码盘
上海大学
辅助轴承机壳转矩、悬浮控制绕组调心辅助轴承
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无轴承永磁电机原理（以表贴式为例）
图无轴承永磁同步电机是在普通永磁同步电机定子电枢铁心原有绕组基 (a)中转矩绕组磁场与悬浮绕组磁场在右侧同向而增强，左侧反向而础上再叠绕一套绕组，通过两套绕组磁场的叠加使电机同时具有旋转减弱，从而产生向右的磁拉力，而图(b)中两套绕组磁场叠加后产生向上的磁拉力。通过有效控制两套绕组的电流即可产生可控的任意方和自悬浮能力。向和大小的磁拉力。由传感器测得转子的偏心位移，进行转子径向位其中转矩控制绕组通适当电流后产生旋转磁场带动永磁转子以同步转移的负反馈控制，根据一定的算法可求出两套绕组所需的电流，从而速旋转，而悬浮控制绕组通以电流后产生的磁场叠加在电机原旋转磁控制转子上的径向悬浮力的大小和方向，实现转子的稳定悬浮。场上，打破了原有的磁场平衡，使得合成的气隙磁场作用在转子上产生一定方向和大小的磁拉力。关键：两套绕组磁场的相位关系
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永磁型无轴承电机研究趋势
（1）磁悬浮机理与数学模型研究
永磁型无轴承电机内的悬浮控制绕组、转矩控制绕组、永磁体磁场通过气隙磁场互相耦合，电磁悬浮力和电磁转矩产生过程包含机、电、磁的各种暂态与稳态运动过程，具有极强的非线性耦合特征，而现有的研究多采用磁共能法、麦克斯韦张量法、有限元法等来独立建立转矩控制绕组与悬浮控制绕组数学模型，难以反映两者间的动态非线性耦合。且不同转子结构的永磁型无轴承电机，悬浮机理与磁链方程、电压电流方程、电磁悬浮力方程、电磁转矩方程及其等效电路等数学模型也各有差异，因此要想获得高品质的转矩与悬浮控制性能，必须深入研究其内部的能量转化关系，综合考虑铁心磁饱和效应，定子齿槽效应、谐波分量以及转子偏心等诸多因素，在此基础上建立更加准确的数学模型。此外，现有的无轴承电机数学模型研究多集中在径向两自由度悬浮的无轴承电机上，而对整个五自由度悬浮的电机系统数学模型研究较少。五自由度悬浮的电机系统不仅存在内部的电磁耦合，而且各个悬浮自由度之间还存在着机械动力耦合，因此从整个大系统的角度，结合转子动力学和现代控制理论开展五自由度悬浮数学模型的研究是无轴承电机系统走上实用化的关键所在。
但实际由于电机加工及装配等原因会造成转子偏心，特别是对无轴承电机来说，其转轴与辅助机械轴承之间是有间隙的，实际悬浮运行时定、转子位置必定不同心，使得电机中的气隙磁密分布不均匀，麦克斯韦合力就不为零。其作用方向和转子偏心的方向一致，转子的偏心量越大，麦克斯韦力也越大，因此为负刚度的磁拉力。为了实现转子悬浮，必须利用位移的负反馈控制将麦克斯韦力的负刚度改变为正刚度。通过主动调节悬浮控制绕组电流的幅值与方向，产生相应的悬浮控制磁场改变原有磁场在气隙中的对称分布，依靠可控的麦克斯韦力将转子拉回平衡位置。
3
5 6 7 8 9
10 114Fra bibliotek21
21 20
4 5 6 7
19
3
2
1
21 20 19
转矩绕组 N1A N1B N1C
17
悬浮绕组 N2A N2B N2C 9
10 16 15 11 12 13 14
18 17
8
18
16 12 13 14 15
上海大学
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无轴承永磁电机结构
图中电机转子悬浮端装有辅助滚动轴承，以防止在没有施加径向悬浮力电流时电机转子与定子相碰撞。辅助轴承与转子转轴之间存在间隙，当悬浮控制绕组通入电流产生悬浮力，转子转轴便脱离该机械辅助轴承而悬浮，辅助轴承也就停止不动。测量转子位移的位置传感器安装在电机转子悬浮端一侧的电机端盖上，基准环紧配合于电机转轴上用于测量转子径向位移量。转子转轴另一端由调心辅助轴承支撑，其与转子转轴之间不存在间隙，其作用相当于一个支点，将电机系统的另外三自由度控制住。用来测量转速的光码盘安装在调心辅助轴承一侧的电机端盖上。
永磁型无轴承电机：功率密度大、长寿命、高效率和体积小，在飞轮储能、泵类、压缩机、卫星姿态调整等领域更具备实用化的优势。
苏黎世联邦工学院和Levitronix公司研制成功的无轴承永磁电机驱动的血泵以及可移植到人体内的左心室辅助装置已在临床中应用。东京理工大学和MotorSolution公司于 2008年将交替极型无轴承永磁电机应用于半导体制造工厂中的超纯水泵的电机, 其最高转速为6000r/min、功率为1.2kW。
上海大学
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永磁型无轴承电机研究趋势
（4）无轴承电机解耦控制算法的研究
目前研究的无轴承永磁电机控制策略中，转矩控制子系统和悬浮控制子系统之间大多存在气隙磁场信息传递，电机的转矩控制与悬浮力控制之间存在非线性强耦合特性，使得两者控制策略相互制约，导致解耦算法复杂，不利于实用化。因此，采用转矩控制子系统和悬浮控制子系统独立控制，既使得悬浮控制摆脱转矩控制绕组磁场定向控制精度以及其参数变化的影响，又可实现转矩控制绕组可以采用通用变频器，提高了实用性。无轴承电机相对于普通电机结构更为复杂，不同工况下的电机参数变化对转矩控制和悬浮控制性能造成的影响更为明显。一方面，通过运用现代控制理论的方法，例如模型参考自适应控制对绕组电感系数等相应参数测量、辨识或采用补偿控制来消除参数变化对电机转速、电磁悬浮力和电磁转矩等性能指标的影响，从而提高悬浮运行控制的鲁棒性。另一方面，鉴于无轴承电机本身是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，选择稳定性好、鲁棒性强、适用面广的控制方法设计出性能优良的控制器如H∞控制，以提高无轴承系统的稳定性和动态特性。