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

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

　　承免維護(hù)要求的特殊應(yīng)用領(lǐng)域。有多種非接觸式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中最具吸引力的是無軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力矩和懸浮力皆由電機(jī)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(jī)的實(shí)際應(yīng)用。具有主動(dòng)式磁力軸承的電機(jī)雖然可以實(shí)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(jī)相對(duì)簡(jiǎn)單一些，但仍需要轉(zhuǎn)子位置的多個(gè)自由度的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和懸浮力的實(shí)時(shí)控制，其控制技術(shù)仍然比較復(fù)雜，而且主動(dòng)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(duì)磁懸浮技術(shù)在電機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用具有重大的推動(dòng)作用。

　　本文提出了一種新型采用被動(dòng)式磁力軸承的無刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子可以實(shí)現(xiàn)磁懸浮而不需要電機(jī)氣隙的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和懸浮力的實(shí)時(shí)控制，轉(zhuǎn)矩控制也不需要轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，而采用無位置傳感器的無刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。理論分析與樣機(jī)。電機(jī)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(dòng)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(duì)永磁轉(zhuǎn)子呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以利于電機(jī)軸向力的平衡。

　　電機(jī)轉(zhuǎn)子的懸浮是依靠被動(dòng)式磁力軸承產(chǎn)生的徑向磁懸浮力實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)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(jì)的合理，在所允許的轉(zhuǎn)子偏心范圍內(nèi)被動(dòng)式磁力軸承能產(chǎn)生足夠大的懸浮力，就不會(huì)使兩磁環(huán)之間以及電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間發(fā)生接觸。由于被動(dòng)式磁力軸承本身所具有的這種懸浮力自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，故不需要對(duì)懸浮力進(jìn)行控制。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制則可通過改變無刷直流電機(jī)電樞電流的大小和頻率來實(shí)現(xiàn)。由于采用了無位置傳感器的控制策略，故使電機(jī)的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。

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

　　中所示被動(dòng)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(chǎng)有限元分析，可求出被動(dòng)式磁力軸承內(nèi)的磁場(chǎng)分布，采用虛位移法可計(jì)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(chǎng)分析計(jì)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(shí)內(nèi)外環(huán)之間的氣隙。計(jì)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(dòng)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(shí)（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(dòng)式磁力軸承的軸向力采用計(jì)算徑向力的三維磁場(chǎng)分析模型和磁力的計(jì)算方法，可同樣計(jì)算被動(dòng)式磁力軸承的軸向力。顯然，內(nèi)環(huán)無軸向位移時(shí)（Az=0），兩永磁環(huán)不會(huì)產(chǎn)生軸向力。為通過磁場(chǎng)分析計(jì)算出的相對(duì)于不同內(nèi)環(huán)軸向位移時(shí)被動(dòng)式磁力軸承的軸向力，磁環(huán)尺寸與計(jì)算徑向力時(shí)相同，平均氣隙g=1mm.為內(nèi)環(huán)軸向位移Az=4mm時(shí)被動(dòng)式磁力軸承的磁場(chǎng)空間分布。

　　由和可以看出：①被動(dòng)式磁力軸承的軸向力相對(duì)于內(nèi)環(huán)的正負(fù)軸向位移（+Az和-Az）具有對(duì)稱的關(guān)系；②軸向力存在一個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，磁通密度大的地方電磁力也大。由所示磁場(chǎng)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(dòng)式磁力軸承磁場(chǎng)的空間分布（Az=2mm）3.3被動(dòng)式磁力軸承的穩(wěn)定性分析由一對(duì)永磁環(huán)構(gòu)成的被動(dòng)式磁力軸承不可能獲得穩(wěn)定的平衡，而至少有一個(gè)自由度必須施加另外的約束才行。

　　由以上對(duì)由兩個(gè)永磁環(huán)構(gòu)成的磁力軸承徑向力的分析計(jì)算可知，只要徑向擾動(dòng)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(dòng)式磁力軸承在徑向上是穩(wěn)定的。而所示的軸向力計(jì)算結(jié)果表明，由兩個(gè)永磁環(huán)構(gòu)成的單個(gè)磁力軸承在軸向上是不穩(wěn)定的，然而由兩個(gè)對(duì)稱的被動(dòng)式磁力軸承組合在一起，則有可能構(gòu)成一個(gè)軸向穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

　　首先來看由兩個(gè)磁力軸承組成的具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的一組被動(dòng)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(shí)，該被動(dòng)式磁力軸承只在理論上處于穩(wěn)定狀態(tài)。假定受到一個(gè)自左向右軸向力的擾動(dòng)，則與軸剛性聯(lián)接的永磁內(nèi)環(huán)將向右移動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)（b）所示的軸向位移Az，由于兩內(nèi)環(huán)的軸向位移相對(duì)于兩外環(huán)永磁體的磁化方向不同，由可知，兩個(gè)永磁內(nèi)環(huán)皆受到一個(gè)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(dòng)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(dòng)一個(gè)已知的偏移量Az，該偏移量要大于所示最大軸向力對(duì)應(yīng)的偏移量，即為（a）所示的結(jié)構(gòu)。由（a）可知，對(duì)于每一個(gè)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(shí)際受力方向相反。同時(shí)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(dòng)后的位置當(dāng)該磁力軸承承受軸向外力擾動(dòng)時(shí)，假如受到一個(gè)自左向右的擾動(dòng)力，軸承內(nèi)環(huán)將產(chǎn)生一個(gè)自左向右的位移Az，如（b）所示。相對(duì)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(dòng)恢復(fù)到受擾動(dòng)之前的位置。因此，該磁力軸承結(jié)構(gòu)具有軸向的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

　　同理可證，所示的被動(dòng)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(dòng)式磁力軸承結(jié)構(gòu)Fig.8Anotheraxiallystablestructure 4無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)4.1無刷直流電機(jī)的徑向力對(duì)于一般無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)，主要任務(wù)是滿足負(fù)載特性對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的要求。然而，對(duì)于采用磁力軸承的無刷直流電機(jī)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(duì)磁力軸承的影響。

　　采用二維磁場(chǎng)分析模型可計(jì)算無刷直流電機(jī)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(gè)位移時(shí)電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)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(chǎng)分析計(jì)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(shí)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(dòng)式磁力軸承產(chǎn)生的徑向磁懸浮力的方向相反，故對(duì)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(jī)的軸向力可以看出：①只有在轉(zhuǎn)子軸向位移較小時(shí)，計(jì)算具有定轉(zhuǎn)子軸向位移無刷直流電機(jī)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(jì)（The王寶國(guó)，王鳳翔（WangBaoguo，WangFengxiang）磁懸浮無軸承電機(jī)懸浮力繞組勵(lì)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?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制、電力電子與電力傳動(dòng)；王繼強(qiáng)（1977-），男，博士研究生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制：孔志國(guó)（1981-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。