核心提示：　　由于無機械磨損和噪聲，非接觸式磁力軸承廣泛用于高速電機以及如人工心臟旋轉(zhuǎn)血泵等對軸基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（59977014）。　　承免維護要求的特殊應(yīng)用領(lǐng)域。有多種非接觸式旋轉(zhuǎn)電機，其中最

　　由于無機械磨損和噪聲，非接觸式磁力軸承廣泛用于高速電機以及如人工心臟旋轉(zhuǎn)血泵等對軸基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（59977014）。

　　承免維護要求的特殊應(yīng)用領(lǐng)域。有多種非接觸式旋轉(zhuǎn)電機，其中最具吸引力的是無軸承電機結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力矩和懸浮力皆由電機的定轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生，而不需要任何傳統(tǒng)的還是磁力的軸承。然而不幸的是，結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的復(fù)雜性限制了無軸承電機的實際應(yīng)用。具有主動式磁力軸承的電機雖然可以實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與懸浮力的解耦控制，其控制技術(shù)比無軸承電機相對簡單一些，但仍需要轉(zhuǎn)子位置的多個自由度的動態(tài)檢測和懸浮力的實時控制，其控制技術(shù)仍然比較復(fù)雜，而且主動式磁力軸承的體積較大。如果能夠?qū)崿F(xiàn)磁懸浮而又不需要復(fù)雜的控制技術(shù)，將對磁懸浮技術(shù)在電機中的實際應(yīng)用具有重大的推動作用。

　　本文提出了一種新型采用被動式磁力軸承的無刷直流電機，轉(zhuǎn)子可以實現(xiàn)磁懸浮而不需要電機氣隙的動態(tài)檢測和懸浮力的實時控制，轉(zhuǎn)矩控制也不需要轉(zhuǎn)子位置檢測，而采用無位置傳感器的無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)。理論分析與樣機。電機采用徑向充磁瓦片狀永磁體組成的轉(zhuǎn)子，套在非導(dǎo)磁材料的轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子兩端的被動式磁力軸承由軸向充磁的兩組永磁環(huán)構(gòu)成，如圖所示，兩組永磁環(huán)的充磁方向相反，相對永磁轉(zhuǎn)子呈對稱結(jié)構(gòu)，以利于電機軸向力的平衡。

　　電機轉(zhuǎn)子的懸浮是依靠被動式磁力軸承產(chǎn)生的徑向磁懸浮力實現(xiàn)的。電機轉(zhuǎn)子在徑向外力作用下將產(chǎn)生沿外力方向的位移，使磁力軸承兩永磁環(huán)之間沿該方向的氣隙減小而沿相反方向上的氣隙增大，兩永磁環(huán)將產(chǎn)生恢復(fù)到均勻氣隙的磁力，而且兩永磁環(huán)之間的氣隙偏心越大所產(chǎn)生的磁力越大。因此，只要設(shè)計的合理，在所允許的轉(zhuǎn)子偏心范圍內(nèi)被動式磁力軸承能產(chǎn)生足夠大的懸浮力，就不會使兩磁環(huán)之間以及電機定轉(zhuǎn)子之間發(fā)生接觸。由于被動式磁力軸承本身所具有的這種懸浮力自動調(diào)節(jié)作用，故不需要對懸浮力進行控制。電機的轉(zhuǎn)矩控制則可通過改變無刷直流電機電樞電流的大小和頻率來實現(xiàn)。由于采用了無位置傳感器的控制策略，故使電機的結(jié)構(gòu)十分簡單。

　　3被動式磁力軸承的設(shè)計3.1被動式磁力軸承的徑向懸浮力由以上分析可知，被動式磁力軸承是新型磁懸浮無刷直流電機的核心部件，該部件的合理設(shè)計是保證電機正常工作的基礎(chǔ)。被動式磁力軸承的設(shè)計必須建立在徑向和軸向磁力的精確計算基礎(chǔ)之上。

　　中所示被動式磁力軸承由兩組軸向充磁的永磁環(huán)組成，其徑向和軸向力的分析可用所示的一組永磁環(huán)來說明。設(shè)兩永磁環(huán)的厚度H和寬度L皆相同，外環(huán)的外徑為￡，內(nèi)外環(huán)之間的平均間隙為，內(nèi)外環(huán)的軸向和徑向位移分別為Az和A；y.通過三維磁場有限元分析，可求出被動式磁力軸承內(nèi)的磁場分布，采用虛位移法可計算出沿圓周徑向力的分布和總的合成徑向磁懸浮力。為采用三維磁場分析計算出的在不同平均氣隙go下永磁環(huán)徑向磁懸浮力與內(nèi)環(huán)徑向偏移量Ay的關(guān)系曲線，平均氣隙辦是指沒有徑向偏心（Ay=0）時內(nèi)外環(huán)之間的氣隙。計算模型采用的磁環(huán)尺寸為：=//2=5mm，L=10mm，1）圖平均氣隙及徑向偏移量之間的關(guān)系曲線由可以看出：①被動式磁力軸承的徑向磁懸浮力與內(nèi)環(huán)徑向偏移量成正比，偏移量越大徑向磁懸浮力越大，在無偏心時（均勻氣隙下）徑向力為零。②徑向磁懸浮力與內(nèi)外永磁環(huán)之間的平均氣隙有關(guān)，同一內(nèi)環(huán)偏心量下平均氣隙越小徑向磁懸浮力越大。

　　3.2被動式磁力軸承的軸向力采用計算徑向力的三維磁場分析模型和磁力的計算方法，可同樣計算被動式磁力軸承的軸向力。顯然，內(nèi)環(huán)無軸向位移時（Az=0），兩永磁環(huán)不會產(chǎn)生軸向力。為通過磁場分析計算出的相對于不同內(nèi)環(huán)軸向位移時被動式磁力軸承的軸向力，磁環(huán)尺寸與計算徑向力時相同，平均氣隙g=1mm.為內(nèi)環(huán)軸向位移Az=4mm時被動式磁力軸承的磁場空間分布。

　　由和可以看出：①被動式磁力軸承的軸向力相對于內(nèi)環(huán)的正負軸向位移（+Az和-Az）具有對稱的關(guān)系；②軸向力存在一個最大值，在本算例情況下最大軸向力約在內(nèi)環(huán)軸向位移Az= 0.6mm和Az=-.6mm處；③電磁力與磁場強度有關(guān)，磁通密度大的地方電磁力也大。由所示磁場分布可知，軸向力主要產(chǎn)生在內(nèi)外環(huán)軸向交界面的氣隙部分。

　　被動式磁力軸承磁場的空間分布（Az=2mm）3.3被動式磁力軸承的穩(wěn)定性分析由一對永磁環(huán)構(gòu)成的被動式磁力軸承不可能獲得穩(wěn)定的平衡，而至少有一個自由度必須施加另外的約束才行。

　　由以上對由兩個永磁環(huán)構(gòu)成的磁力軸承徑向力的分析計算可知，只要徑向擾動力不超過在允許徑向偏移范圍內(nèi)的徑向磁懸浮力，該被動式磁力軸承在徑向上是穩(wěn)定的。而所示的軸向力計算結(jié)果表明，由兩個永磁環(huán)構(gòu)成的單個磁力軸承在軸向上是不穩(wěn)定的，然而由兩個對稱的被動式磁力軸承組合在一起，則有可能構(gòu)成一個軸向穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

　　首先來看由兩個磁力軸承組成的具有對稱結(jié)構(gòu)的一組被動式磁力軸承，假定永磁內(nèi)外環(huán)之間無軸向位移，如（a）所示。此時，該被動式磁力軸承只在理論上處于穩(wěn)定狀態(tài)。假定受到一個自左向右軸向力的擾動，則與軸剛性聯(lián)接的永磁內(nèi)環(huán)將向右移動，產(chǎn)生一個（b）所示的軸向位移Az，由于兩內(nèi)環(huán)的軸向位移相對于兩外環(huán)永磁體的磁化方向不同，由可知，兩個永磁內(nèi)環(huán)皆受到一個自左向右的軸向力，合成軸向力如（b）所示的其結(jié)果是使兩內(nèi)環(huán)繼續(xù)向右偏移。因此，這是一種軸向不穩(wěn)定的被動式磁力軸承結(jié)構(gòu)。

　　將所示結(jié)構(gòu)中的兩內(nèi)永磁環(huán)分別向相反方向移動一個已知的偏移量Az，該偏移量要大于所示最大軸向力對應(yīng)的偏移量，即為（a）所示的結(jié)構(gòu)。由（a）可知，對于每一個磁力軸承來說，內(nèi)環(huán)的軸向位移皆與外環(huán)永磁體的磁化方向相同，所產(chǎn)生的軸向力都是沿永磁體的磁化方向，而由于安裝在同一軸上的兩磁力軸承的磁化方向相反，故兩內(nèi)環(huán)實際受力方向相反。同時由于兩內(nèi)環(huán)的軸向位移量相等，因而產(chǎn)生的軸向力相等而被互相抵消，從而磁力軸承可獲得軸向上的靜態(tài)穩(wěn)定性。

　　（a）初始位置厲這一畫Cb）受軸向力擾動后的位置當該磁力軸承承受軸向外力擾動時，假如受到一個自左向右的擾動力，軸承內(nèi)環(huán)將產(chǎn)生一個自左向右的位移Az，如（b）所示。相對于本身的外環(huán)而言，兩內(nèi)環(huán)位移分別為Az+Az和Az-Az，即左側(cè)磁力軸承內(nèi)外環(huán)的軸向偏移量大于右側(cè)磁力軸承內(nèi)外環(huán)的軸向偏移量，由可知，左側(cè)磁力軸承產(chǎn)生的軸向力小于右側(cè)磁力軸承產(chǎn)生的軸向力，兩磁力軸承軸向力合成為（b）所示自右向左的Fz，其結(jié)果是使磁力軸承的內(nèi)環(huán)向左移動恢復(fù)到受擾動之前的位置。因此，該磁力軸承結(jié)構(gòu)具有軸向的動態(tài)穩(wěn)定性。

　　同理可證，所示的被動式磁力軸承結(jié)構(gòu)同樣具有徑向和軸向的穩(wěn)定性。

　　瞧另一種軸向穩(wěn)定的被動式磁力軸承結(jié)構(gòu)Fig.8Anotheraxiallystablestructure 4無刷直流電機的設(shè)計4.1無刷直流電機的徑向力對于一般無刷直流電機的設(shè)計，主要任務(wù)是滿足負載特性對電機電磁轉(zhuǎn)矩的要求。然而，對于采用磁力軸承的無刷直流電機來說，還需要考慮由于定轉(zhuǎn)子間的相互作用產(chǎn)生的徑向和軸向力對磁力軸承的影響。

　　采用二維磁場分析模型可計算無刷直流電機的由于轉(zhuǎn)子偏心所產(chǎn)生的徑向力。所示為4極外貼式永磁轉(zhuǎn)子沿水平方向自右向左有一個位移時電機內(nèi)的磁場分布，左邊氣隙的磁力線比右氣隙的磁力線密，說明左氣隙內(nèi)的磁通密度比右氣隙大。

　　徑向力與磁通密度平方成正比，故轉(zhuǎn)子將承受自右向左的單邊磁拉力。

　　由磁場分析計算出的合成徑向力與轉(zhuǎn)子徑向偏移及平均氣隙的關(guān)系曲線如0所示，平均氣隙仍定義為無轉(zhuǎn)子徑向偏移時的均氣隙。可以看出：①永磁轉(zhuǎn)子由于偏心產(chǎn)生的徑向力與轉(zhuǎn)子的偏心量成正比；②在同樣偏心量下，平均氣隙越大所產(chǎn)生的徑向力越小；③由于轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的徑向力是一種單邊磁拉力，與被動式磁力軸承產(chǎn)生的徑向磁懸浮力的方向相反，故對轉(zhuǎn)子的磁懸浮是不利的。

　　0徑向力與轉(zhuǎn)子偏心及平均氣的關(guān)系曲線4.2無刷直流電機的軸向力可以看出：①只有在轉(zhuǎn)子軸向位移較小時，計算具有定轉(zhuǎn)子軸向位移無刷直流電機的軸朱規(guī)秋，等（Zhu a/）。永磁偏置徑向-軸向磁懸浮軸承工作原理和參數(shù)設(shè)計（The王寶國，王鳳翔（WangBaoguo，WangFengxiang）磁懸浮無軸承電機懸浮力繞組勵磁及控制方式分析（Excitationandcontrolanalysis王鳳翔（1938-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為特種電機及其控制、電力電子與電力傳動；王繼強（1977-），男，博士研究生，研究方向為特種電機及其控制：孔志國（1981-），男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。