磁軸承是產(chǎn)生可控磁懸浮力使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的機械元件。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，必須在傳動電機的兩端各安裝一個徑向磁軸承，導致轉(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，設計出無軸承電機，無軸承電機的懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組共同纏繞在電機定子齒上，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，無軸承電機結(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)研究并設計了多種無軸承電機，例如，無軸承同步磁阻電機、無軸承感應電機、無軸承開關(guān)磁阻電機、無軸承永磁同步電機、無軸承無刷直流電機等。無軸承無刷直流電機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)外學者的關(guān)注。1997年，國內(nèi)學者王鳳翔首次將無軸承技術(shù)應用于永磁無刷直流電機；2007～2009年，日本學者M. Ooshima對無軸承無刷直流電機結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及應用進行了系統(tǒng)性的研究。

無軸承無刷直流電機除了具有無軸承電機臨界轉(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、飛輪儲能和航空等領(lǐng)域展現(xiàn)出特有的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。

本文首先介紹無軸承無刷直流電機懸浮力產(chǎn)生原理，然后總結(jié)無軸承無刷直流電機關(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應用的研究進行歸納，最后根據(jù)無軸承無刷直流電機的發(fā)展要求以及尚存的不足，展望未來無軸承無刷直流電機的發(fā)展趨勢。

1 無軸承無刷直流電機懸浮力產(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本體截面圖

無軸承無刷直流電機轉(zhuǎn)矩原理與傳統(tǒng)無刷直流電機類似，這里不再贅述。懸浮力產(chǎn)生原理如圖2所示，當電機轉(zhuǎn)子角位置為0°時，B相懸浮力繞組B1、B2導通產(chǎn)生轉(zhuǎn)子徑向懸浮力，支撐電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。當懸浮力繞組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關(guān)鍵技術(shù)（略）

2.1 無軸承無刷直流電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2 無軸承無刷直流電機數(shù)學模型

2.3 無軸承無刷直流電機控制策略

2.3.1 坐標變換控制

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應用研究

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)動電機為一體的無軸承無刷直流電機結(jié)構(gòu)，電機的定轉(zhuǎn)子為血液泵運轉(zhuǎn)的動態(tài)穩(wěn)定提供徑向磁平衡力。相比于血液泵電機的原設計，新樣機的性能有了顯著提高，主要體現(xiàn)在電機效率提高10%以上，而功率損耗減少了1W。

有學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。

有學者提出一個應用于可植入血液泵的無軸承無刷直流電機，泵結(jié)構(gòu)和有限元（Finite Element Method, FEM）分析模型如圖15所示。該電機巧妙地利用磁力和液壓力來替代機械軸承，通過比較不同極數(shù)和相數(shù)的電機以得到最小體積，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的性能。

有學者提出一個應用于血液泵的無軸承無刷直流電機，得到使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的新方法，它利用電機產(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)的機械能形式儲存起來，當需要釋放能量時，再利用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電，是一種機電能量轉(zhuǎn)換與儲存裝置。無論飛輪儲能是在充電還是放電狀態(tài)，電機都有著不可或缺的作用，是機械能和電能轉(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)應用的電機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更適合作為飛輪儲能系統(tǒng)的驅(qū)動電機。

有學者提出一個應用于飛輪儲能系統(tǒng)的環(huán)形繞組形式的無軸承無刷直流電機，如圖16所示，具有功率高和徑向負剛度小等特點。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的離散優(yōu)化，系統(tǒng)級優(yōu)化主要通過設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)的能量密度進行檢測，發(fā)現(xiàn)檢測到的能量密度遠比預期的小，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

有學者對無軸承無刷直流電機飛輪儲能系統(tǒng)進行了基礎性研究，提出了一種新型電機結(jié)構(gòu)，設計了其控制系統(tǒng)，闡述了轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)電動機、發(fā)電機、待機三種狀態(tài)控制和懸浮力子系統(tǒng)控制的實現(xiàn)。有學者基于飛輪儲能結(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，通過增加懸浮力繞組產(chǎn)生懸浮力來解決高速時機械損耗的問題，同時電機外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能使飛輪儲能裝置簡化緊湊。

3.3 其他應用研究

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

有學者提出一個應用于小型流體泵的無軸承無刷直流電機，根據(jù)FEM的分析結(jié)果設計出了電機樣機，當它應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。

有學者提出一種新型的無軸承無刷直流電機，具有轉(zhuǎn)矩高的特點并應用于生物反應器的攪拌，通過樣機實驗發(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。有學者研究了無軸承無刷直流電機在計算機硬盤中的應用，具有高速且無噪聲的優(yōu)點。

4 無軸承無刷直流電機研究展望

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

1）與應用相結(jié)合的電機新結(jié)構(gòu)。

目前存在的傳統(tǒng)無軸承無刷直流電機，由于存在結(jié)構(gòu)特殊性和局限性，其未來發(fā)展不應著眼于取代面廣量大的傳統(tǒng)電機系統(tǒng)；應針對該電機的尺寸參數(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)等方面進行優(yōu)化設計，并應用性能優(yōu)異的新型材料，尋找與其特性契合的新應用或特殊應用，結(jié)合應用場合設計出具有新型結(jié)構(gòu)的無軸承無刷直流電機。

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

為了使電機設計參數(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，綜合選取一組電機最優(yōu)設計參數(shù)，實現(xiàn)電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置。

2）精確數(shù)學模型的建立。

建立精確的數(shù)學模型是電機控制系統(tǒng)設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無軸承無刷直流電機是強耦合多變量系統(tǒng)，因此它對轉(zhuǎn)矩和懸浮力數(shù)學模型的精確性、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)學模型都不能避免磁路飽和的問題，忽略了漏磁、齒槽效應，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)建模與機理建模，建立更加精確的轉(zhuǎn)矩和懸浮力數(shù)學模型。

3）先進控制算法的應用。

傳統(tǒng)的無軸承無刷直流電機控制仍然采用經(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，需要對電機繞組電感、電阻等參數(shù)變量進行在線辨識，弱化參數(shù)變化對電機性能的影響，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)先進控制算法對電機系統(tǒng)的控制，例如：神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、自適應控制等。采用先進控制算法能夠提高電機的抗干擾能力和可靠性，從而提高電機的效率。

為了進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轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組控制導通的依據(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，并且為了達到位置檢測的精確，必須要安裝多個位置傳感器，這樣導致電機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)學者提出了一種基于卡爾曼濾波器的無軸承無刷直流電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計算法，并推導出轉(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)動的無刷直流電機無傳感器技術(shù)，為無軸承無刷直流電機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)電機中，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，電機的轉(zhuǎn)矩和懸浮力容易產(chǎn)生較大脈動，很大程度上導致了電機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斬波法和電流預測控制，借助現(xiàn)代控制理論，基于新型拓撲結(jié)構(gòu)研究、電流滯環(huán)控制和準Z源網(wǎng)絡的換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法已經(jīng)在無刷直流電機中得以實現(xiàn)，能有效地提高和發(fā)揮電機性能，將其應用在高精度高要求場合的無軸承無刷直流電機轉(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的深入研究和應用拓展，需要研究無軸承無刷直流電機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，因此需要改進和優(yōu)化容錯拓撲，同時，新型容錯控制策略也能提高無軸承無刷直流電機的可靠性。

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)動與保護裝置，需要進一步研究具有故障隔離能力且專用集成化的電路拓撲結(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徑向懸浮力數(shù)學模型可以發(fā)現(xiàn)懸浮力與轉(zhuǎn)矩之間存在較強的耦合，當懸浮力或轉(zhuǎn)矩受到外界擾動時，同時分別會對電機的瞬時轉(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?；谀嫦到y(tǒng)解耦、最小二乘支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng)等方法的解耦控制策略在無軸承永磁電機和無軸承異步電機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，將其應用于無軸承無刷直流電機中實現(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解耦控制。

結(jié)論

無軸承無刷直流電機同時具備無刷直流電機體積小、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)域有廣闊的應用前景。

本文在介紹無軸承無刷直流電機懸浮力產(chǎn)生原理的基礎上，對電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化、數(shù)學模型、控制策略和應用研究等方面進行了全面的闡述，指出了無軸承無刷直流電機的研究發(fā)展趨勢。但無軸承無刷直流電機研究起步較晚，研究不夠完善，無法滿足實際應用的要求，仍需要在無傳感技術(shù)、本體優(yōu)化、先進控制策略以及高可靠性容錯技術(shù)方面做進一步的探索。