磁軸承是產(chǎn)生可控磁懸浮力使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的機(jī)械元件。磁軸承具有無摩擦、無需潤滑、潔凈、高速高精和壽命長等特性，并且已經(jīng)應(yīng)用在高速或超高速驅(qū)動、人工心臟、渦輪分子泵和飛輪儲能等領(lǐng)域。然而，為了使傳動軸穩(wěn)定懸浮，必須在傳動電機(jī)的兩端各安裝一個徑向磁軸承，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸向長度較長，降低了系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。

為了克服這一缺點，設(shè)計出無軸承電機(jī)，無軸承電機(jī)的懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組共同纏繞在電機(jī)定子齒上，能同時產(chǎn)生徑向懸浮力和轉(zhuǎn)矩。相比于磁軸承支承的電機(jī)，無軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊而且成本低，更有利于高速運行。

迄今為止，已經(jīng)研究并設(shè)計了多種無軸承電機(jī)，例如，無軸承同步磁阻電機(jī)、無軸承感應(yīng)電機(jī)、無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)、無軸承永磁同步電機(jī)、無軸承無刷直流電機(jī)等。無軸承無刷直流電機(jī)的研究雖然起步時間較晚，但由于它優(yōu)越的性能，吸引了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。1997年，國內(nèi)學(xué)者王鳳翔首次將無軸承技術(shù)應(yīng)用于永磁無刷直流電機(jī)；2007～2009年，日本學(xué)者M(jìn). Ooshima對無軸承無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。

無軸承無刷直流電機(jī)除了具有無軸承電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速和精度高、無摩擦磨損、無需潤滑和潔凈的優(yōu)點外，與其他類型的無軸承電機(jī)相比，還具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點，因此在生命科學(xué)、飛輪儲能和航空等領(lǐng)域展現(xiàn)出特有的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

本文首先介紹無軸承無刷直流電機(jī)懸浮力產(chǎn)生原理，然后總結(jié)無軸承無刷直流電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對目前無軸承無刷直流電機(jī)應(yīng)用的研究進(jìn)行歸納，最后根據(jù)無軸承無刷直流電機(jī)的發(fā)展要求以及尚存的不足，展望未來無軸承無刷直流電機(jī)的發(fā)展趨勢。

1 無軸承無刷直流電機(jī)懸浮力產(chǎn)生原理

圖1給出了三相12槽8極無軸承無刷直流電機(jī)本體截面圖，定子齒槽均勻分布在定子內(nèi)表面上，永磁體以表貼式嵌在電機(jī)轉(zhuǎn)子表面，定子齒上的轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組采用集中繞組的方式，兩種繞組的分布如圖1所示，同相繞組串聯(lián)連接。

圖1 無軸承無刷直流電機(jī)本體截面圖

無軸承無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩原理與傳統(tǒng)無刷直流電機(jī)類似，這里不再贅述。懸浮力產(chǎn)生原理如圖2所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子角位置為0°時，B相懸浮力繞組B1、B2導(dǎo)通產(chǎn)生轉(zhuǎn)子徑向懸浮力，支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。當(dāng)懸浮力繞組B1、B2通如圖2所示方向的電流時，懸浮力繞組B1產(chǎn)生的磁通使氣隙中磁密不均勻，氣隙1處疊加的磁通密度增加，氣隙2處疊加的磁通密度減少，根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力張量法得到轉(zhuǎn)子徑向懸浮力FB1。

同理，通電B2懸浮力繞組能產(chǎn)生轉(zhuǎn)子徑向懸浮力FB2，通過控制B1、B2繞組電流的幅值和方向就能夠產(chǎn)生x軸方向上的懸浮力Fx。同理可得，其他兩相懸浮力繞組導(dǎo)通時，也能產(chǎn)生可控方向和幅值的轉(zhuǎn)子徑向懸浮力。

圖2 懸浮力產(chǎn)生原理

2 無軸承無刷直流電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)（略）

2.1 無軸承無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2 無軸承無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

2.3 無軸承無刷直流電機(jī)控制策略

2.3.1 坐標(biāo)變換控制

2.3.2 線性化反饋控制

2.3.3 獨立懸浮力控制

2.3.4 直接轉(zhuǎn)矩/懸浮力控制

2.3.5 懸浮力繞組三相導(dǎo)通控制

2.3.6 人工智能控制

2.3.7 控制方法對比

3 無軸承無刷直流電機(jī)應(yīng)用研究

3.1 血液泵

血液泵是醫(yī)療領(lǐng)域必不可少的重要設(shè)備，由于傳輸媒介的特殊性，要求血液泵中的血液不受污染、不受破壞、減少凝血現(xiàn)象。無軸承無刷直流電機(jī)的磁懸浮特性恰好解決了血液泵的溶血和血栓問題，并且能提供更高的轉(zhuǎn)矩/體積比。

有學(xué)者介紹了一種新型心室輔助系統(tǒng)，采用血液泵與驅(qū)動電機(jī)為一體的無軸承無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，電機(jī)的定轉(zhuǎn)子為血液泵運轉(zhuǎn)的動態(tài)穩(wěn)定提供徑向磁平衡力。相比于血液泵電機(jī)的原設(shè)計，新樣機(jī)的性能有了顯著提高，主要體現(xiàn)在電機(jī)效率提高10%以上，而功率損耗減少了1W。

有學(xué)者提出一種新型的直驅(qū)式離心血液泵，以無軸承無刷直流電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)子與葉輪結(jié)合在一起安裝在密封的泵殼里，定子在泵殼外并纏繞混合繞組來同時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力，采用雙定子結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，可以作為血液泵甚至植入型人工心臟。

有學(xué)者提出一個應(yīng)用于可植入血液泵的無軸承無刷直流電機(jī)，泵結(jié)構(gòu)和有限元（Finite Element Method, FEM）分析模型如圖15所示。該電機(jī)巧妙地利用磁力和液壓力來替代機(jī)械軸承，通過比較不同極數(shù)和相數(shù)的電機(jī)以得到最小體積，最后選擇極對數(shù)為3、相數(shù)為2，并且定子選擇軟磁材料以提高電機(jī)的性能。

有學(xué)者提出一個應(yīng)用于血液泵的無軸承無刷直流電機(jī)，得到使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的新方法，它利用電機(jī)產(chǎn)生的磁力和永磁體產(chǎn)生的力，共同作用使整個系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖15 血液泵和有限元分析的相關(guān)模型

3.2 飛輪儲能

飛輪儲能把電能以飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能形式儲存起來，當(dāng)需要釋放能量時，再利用飛輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與儲存裝置。無論飛輪儲能是在充電還是放電狀態(tài)，電機(jī)都有著不可或缺的作用，是機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)換的核心部件，決定了飛輪儲能系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。

飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用的電機(jī)需要滿足的性能要求包括：高速運行；調(diào)速范圍廣、調(diào)速性能好；空載損耗低、工作效率高；輸出轉(zhuǎn)矩大、輸出功率高等。無軸承無刷直流電機(jī)由于體積小、質(zhì)量輕、調(diào)速性能好以及效率高的特點，相比于其他類型電機(jī)更適合作為飛輪儲能系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。

有學(xué)者提出一個應(yīng)用于飛輪儲能系統(tǒng)的環(huán)形繞組形式的無軸承無刷直流電機(jī)，如圖16所示，具有功率高和徑向負(fù)剛度小等特點。討論了微型飛輪儲能系統(tǒng)對于組件層次和系統(tǒng)級的優(yōu)化設(shè)計過程，組件層次優(yōu)化主要是軸承、驅(qū)動器和無刷直流電機(jī)的離散優(yōu)化，系統(tǒng)級優(yōu)化主要通過設(shè)計部件的尺寸以及位置來獲得最大的能量儲存能力；并且對飛輪儲能系統(tǒng)的能量密度進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)檢測到的能量密度遠(yuǎn)比預(yù)期的小，提高能量密度有兩種方法，一種是提高轉(zhuǎn)速，另一種是改變結(jié)構(gòu)，之后的研究以這兩點為中心來提高飛輪儲能系統(tǒng)的能量密度。

圖16 微型飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

有學(xué)者對無軸承無刷直流電機(jī)飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，提出了一種新型電機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了其控制系統(tǒng)，闡述了轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、待機(jī)三種狀態(tài)控制和懸浮力子系統(tǒng)控制的實現(xiàn)。有學(xué)者基于飛輪儲能結(jié)構(gòu)提出了一個12槽8極外轉(zhuǎn)子無軸承無刷直流電機(jī)，通過增加懸浮力繞組產(chǎn)生懸浮力來解決高速時機(jī)械損耗的問題，同時電機(jī)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能使飛輪儲能裝置簡化緊湊。

3.3 其他應(yīng)用研究

除了在血液泵、飛輪儲能領(lǐng)域的應(yīng)用外，無軸承無刷直流電機(jī)在流體泵、生物反應(yīng)器的攪拌器以及計算機(jī)硬盤等要求高速、高效率和體積小的場合也得到了應(yīng)用。

有學(xué)者提出一個應(yīng)用于小型流體泵的無軸承無刷直流電機(jī)，根據(jù)FEM的分析結(jié)果設(shè)計出了電機(jī)樣機(jī)，當(dāng)它應(yīng)用在小型流體泵中時，最大轉(zhuǎn)速為2 200r/min，最大流量為8.2L/min。

有學(xué)者提出一種新型的無軸承無刷直流電機(jī)，具有轉(zhuǎn)矩高的特點并應(yīng)用于生物反應(yīng)器的攪拌，通過樣機(jī)實驗發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向位移小于60μm，轉(zhuǎn)子能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定懸浮。有學(xué)者研究了無軸承無刷直流電機(jī)在計算機(jī)硬盤中的應(yīng)用，具有高速且無噪聲的優(yōu)點。

4 無軸承無刷直流電機(jī)研究展望

目前，國內(nèi)外對無軸承無刷直流電機(jī)的研究尚處于實驗階段，為了使無軸承無刷直流電機(jī)滿足高速、高精度、低成本的要求并且得到更多的實際應(yīng)用，其發(fā)展趨勢及研究重點應(yīng)有以下幾點：

1）與應(yīng)用相結(jié)合的電機(jī)新結(jié)構(gòu)。

目前存在的傳統(tǒng)無軸承無刷直流電機(jī)，由于存在結(jié)構(gòu)特殊性和局限性，其未來發(fā)展不應(yīng)著眼于取代面廣量大的傳統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)；應(yīng)針對該電機(jī)的尺寸參數(shù)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、繞組極對數(shù)配置、繞線方式、線圈匝數(shù)等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并應(yīng)用性能優(yōu)異的新型材料，尋找與其特性契合的新應(yīng)用或特殊應(yīng)用，結(jié)合應(yīng)用場合設(shè)計出具有新型結(jié)構(gòu)的無軸承無刷直流電機(jī)。

傳統(tǒng)的無軸承無刷直流電機(jī)設(shè)計方法是用等效磁路法分析電機(jī)內(nèi)部氣隙磁通，建立數(shù)學(xué)模型，以滿足轉(zhuǎn)矩最大性能要求為目標(biāo)，通過理論分析與工程經(jīng)驗得到磁軸承的設(shè)計方法，但在建模過程中忽略了諧波、端部效應(yīng)、渦流損耗等多方面因素。

為了使電機(jī)設(shè)計參數(shù)更精確，國內(nèi)外主要采用有限元方法對參數(shù)進(jìn)行分析驗證，在改變轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、繞組繞線方式、永磁體材料及厚度、定轉(zhuǎn)子齒寬等參數(shù)后，通過分析參數(shù)變化對氣隙磁密與懸浮力的影響，綜合選取一組電機(jī)最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置。

2）精確數(shù)學(xué)模型的建立。

建立精確的數(shù)學(xué)模型是電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無軸承無刷直流電機(jī)是強(qiáng)耦合多變量系統(tǒng)，因此它對轉(zhuǎn)矩和懸浮力數(shù)學(xué)模型的精確性、可行性和可靠性有很高的要求。

目前無論是基于虛位移法還是麥克斯韋張量法建立的懸浮力數(shù)學(xué)模型都不能避免磁路飽和的問題，忽略了漏磁、齒槽效應(yīng)，這在實際情況中都是不可忽略的因素。如果想要實現(xiàn)對電機(jī)的精確控制，就需要權(quán)衡考慮之前忽略的非線性因素，通過現(xiàn)代控制理論，結(jié)合數(shù)據(jù)建模與機(jī)理建模，建立更加精確的轉(zhuǎn)矩和懸浮力數(shù)學(xué)模型。

3）先進(jìn)控制算法的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的無軸承無刷直流電機(jī)控制仍然采用經(jīng)典PID算法，它的算法簡單，但是在不同工況下，電機(jī)參數(shù)變化對電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力影響更為明顯，精度不能滿足現(xiàn)代發(fā)展的要求，需要對電機(jī)繞組電感、電阻等參數(shù)變量進(jìn)行在線辨識，弱化參數(shù)變化對電機(jī)性能的影響，提高系統(tǒng)懸浮運行的魯棒性。

隨著DSP和電力電子器件的發(fā)展，可以實現(xiàn)先進(jìn)控制算法對電機(jī)系統(tǒng)的控制，例如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等。采用先進(jìn)控制算法能夠提高電機(jī)的抗干擾能力和可靠性，從而提高電機(jī)的效率。

為了進(jìn)一步提高懸浮力系統(tǒng)的精度以及穩(wěn)定性，需要研究高性能的智能控制算法，對繞組電感、電阻等參數(shù)變量進(jìn)行在線辨識，弱化參數(shù)變化對電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力的影響。此外，利用面向電機(jī)控制的最新的高速數(shù)字信號處理器，研發(fā)模塊化、集成化的智能控制器，有利于提高整個無軸承無刷直流電機(jī)的抗干擾能力和可靠性。

4）無傳感器技術(shù)。

轉(zhuǎn)子角位置是無軸承無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組控制導(dǎo)通的依據(jù)，徑向位移是懸浮力控制系統(tǒng)的反饋量，因此它們的檢測是控制環(huán)節(jié)中最基礎(chǔ)的一步。

然而，位置傳感器的價格昂貴，受環(huán)境溫度影響大，并且為了達(dá)到位置檢測的精確，必須要安裝多個位置傳感器，這樣導(dǎo)致電機(jī)的成本高而且可靠性不能得到保障。因此，無傳感器技術(shù)是未來無軸承無刷直流電機(jī)研究的必然趨勢。

早期，無傳感技術(shù)的研究是通過檢測基波電流信號，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和位移的調(diào)節(jié)。隨著無傳感技術(shù)的發(fā)展，無軸承無刷直流電機(jī)的無傳感技術(shù)主要研究可分為：無速度和無位移無傳感技術(shù)兩種基本類型。

在無速度無傳感技術(shù)方面，有關(guān)學(xué)者提出了一種基于卡爾曼濾波器的無軸承無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計算法，并推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速估算公式；在無位移無傳感技術(shù)方面，基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于反電動勢過零點檢測法的Cuk變換器驅(qū)動的無刷直流電機(jī)無傳感器技術(shù)，為無軸承無刷直流電機(jī)無傳感器自檢測技術(shù)提供了新思路。

5）轉(zhuǎn)矩和懸浮力脈動抑制。在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和懸浮力容易產(chǎn)生較大脈動，很大程度上導(dǎo)致了電機(jī)的使用壽命縮短和運行安全等問題。此外，由于無軸承無刷直流電機(jī)換相過程中的電樞磁場不是旋轉(zhuǎn)磁場而是跳躍式的步進(jìn)磁場，這種磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和懸浮力是脈動的，在實際運行中容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)速抖動和噪聲。

傳統(tǒng)抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動的方法有重疊換相法、滯環(huán)電流法、PWM斬波法和電流預(yù)測控制，借助現(xiàn)代控制理論，基于新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究、電流滯環(huán)控制和準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法已經(jīng)在無刷直流電機(jī)中得以實現(xiàn)，能有效地提高和發(fā)揮電機(jī)性能，將其應(yīng)用在高精度高要求場合的無軸承無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩和懸浮力脈動抑制中也是今后的研究發(fā)展趨勢。

6）高可靠性及容錯技術(shù)。

隨著無軸承無刷直流電機(jī)的深入研究和應(yīng)用拓展，需要研究無軸承無刷直流電機(jī)容錯控制和高可靠性技術(shù)。傳統(tǒng)的三相四開關(guān)逆變器的容錯模式會使相電流和相反電動勢產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩和懸浮力脈動，因此需要改進(jìn)和優(yōu)化容錯拓?fù)洌瑫r，新型容錯控制策略也能提高無軸承無刷直流電機(jī)的可靠性。

此外，國內(nèi)外大多采用單一化的H橋結(jié)構(gòu)，為了節(jié)省驅(qū)動與保護(hù)裝置，需要進(jìn)一步研究具有故障隔離能力且專用集成化的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

7）轉(zhuǎn)矩和懸浮力解耦控制。

根據(jù)無軸承無刷直流電機(jī)徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型可以發(fā)現(xiàn)懸浮力與轉(zhuǎn)矩之間存在較強(qiáng)的耦合，當(dāng)懸浮力或轉(zhuǎn)矩受到外界擾動時，同時分別會對電機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)矩和瞬時懸浮力產(chǎn)生影響，因此需要對轉(zhuǎn)矩和懸浮力實現(xiàn)解耦控制。

上述采用基于線性化反饋控制的方法實現(xiàn)了懸浮力和轉(zhuǎn)矩控制之間的基本解耦，但在高速精密運行時，尚未實現(xiàn)兩者之間的非線性動態(tài)解耦。基于逆系統(tǒng)解耦、最小二乘支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)等方法的解耦控制策略在無軸承永磁電機(jī)和無軸承異步電機(jī)中能夠有效減小懸浮力與轉(zhuǎn)矩間的耦合，具有良好的動態(tài)性能，將其應(yīng)用于無軸承無刷直流電機(jī)中實現(xiàn)解耦是未來的研究方向。

另外，針對無軸承無刷直流電機(jī)繞組交替控制的特點，對懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組電流的分時控制也能夠減小懸浮力和轉(zhuǎn)矩的耦合，這種思想也可以用于無軸承無刷直流電機(jī)解耦控制。

結(jié)論

無軸承無刷直流電機(jī)同時具備無刷直流電機(jī)體積小、效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點以及磁軸承無摩擦磨損、無需潤滑、潔凈等特點，在血液泵、飛輪儲能等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

本文在介紹無軸承無刷直流電機(jī)懸浮力產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)上，對電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、數(shù)學(xué)模型、控制策略和應(yīng)用研究等方面進(jìn)行了全面的闡述，指出了無軸承無刷直流電機(jī)的研究發(fā)展趨勢。但無軸承無刷直流電機(jī)研究起步較晚，研究不夠完善，無法滿足實際應(yīng)用的要求，仍需要在無傳感技術(shù)、本體優(yōu)化、先進(jìn)控制策略以及高可靠性容錯技術(shù)方面做進(jìn)一步的探索。