摘要：概述了傳統電機、磁軸承支承的電機存在的性能不足和無軸承電機的優點，介紹了無軸承電機的基本原理、發展狀況和關鍵技術的研究現狀。

關鍵詞：磁軸承；電機；無軸承電機；原理

中圖分類號：tm301. 42    文獻標識碼：a    文章編號：1001-6848(2000)06-0029-03

    傳統電力拖動系統中電機的轉子，是用兩個機械軸承來支承，因此轉子運動過程中存在機械摩擦。機械摩擦不僅增加了轉子的摩擦阻力，使軸承磨損，降低軸承壽命，產生機械振動和噪聲，而且會造成部件發熱，使潤滑劑性能變差，嚴重時會造成電機氣隙不均勻，繞組發熱，溫升增大，從而降低電機的效率，縮短電機的使用壽命。特別是在高速機床、渦輪分子泵、小型發電機、高速飛輪等裴備中需要用大功率的高速或超高速電機來驅動，用機械軸承來支承高速電機時，電機高速運轉對機械軸承振動沖擊更大，機械軸承磨損更快，大幅度縮短了軸承和電機的使用壽命，為此用機械軸承來支承高速電機嚴重制約著電機向更高速度和更大功率方向發展。

    為了克服機械軸承性能的不足，近20多年來發展起來的磁軸承是利用磁場力將轉子懸浮于空間，實現轉子和定子之間沒有任何機械接觸的一種新型高性能軸承。由于磁軸承具有無摩擦、無磨損、不需潤滑和密封、高速度、高精度、壽命長等一系列優良品質，從根本上改變了傳統的支承型式，在能源交通、航空航天、機械工業及機器人等高科技領域具有較為廣泛的應用前景。

    圖1是由磁軸承支承的高速電機結構示意圖，轉子要實現完全的懸浮需要在其5個自由度上施加控制力，即需要4個徑向磁軸承和1個軸向磁軸承。一個完整的磁軸承系統由轉子、傳感器、控制器、功率放大器和電磁鐵組成。磁軸承支承的電機雖然具有突出的優點，但在不同的應用領域依然存在如下問題：

①電機的輸出功率難以進一步提高。為了提高電機的輸出功率，電機的軸向長度和徑向尺寸必須要隨之加大。由予磁軸承在軸向和徑向都占有很大一部分體積，又為了在高速時能避開轉子的臨界轉速，只能盡量控制電機本身的軸向長度，這樣就導致提高電機的功率比較困難；而電機的轉軸徑向尺寸則受電磁體材料機械強度的限制。

②磁軸承需要高品質的控制器、高性能的功率放大器和多個造價不菲的位移傳感器等，導致磁軸承結構較為復雜、體積較大和成本較高，大大影響了由磁軸承支承的高速電機的使用范圍和廣泛應用。

   

    所謂無軸承電機，并不是說不需要軸承來支承電機轉子，而是不需要設計專門的軸承。由于磁軸承結構與交流電機定子結構的相似性，把磁軸承中產生徑向力的繞組疊壓到交流電機的定子繞組上，見圖2，電機繞組和徑向磁軸承繞組疊放在一起，使徑向力繞阻產生的磁場和電機的旋轉磁場合成一個整體，通過探索驅動電機轉動的旋轉磁場和產生徑向懸浮力磁場的耦合情況以及解耦方法，分別實現獨立控制電機的旋轉和轉子的穩定懸浮。

   

    無軸承電機一方面保持磁軸承支承的電機系統壽命長、無機械摩擦和磨損、無須潤滑等優點外，還突破更高轉速和大功率的限制，拓寬了高速電機的應用范圍，與磁軸承支承的高速電機相比具有下列優點：

①徑向力繞組疊壓到交流電機的定子繞組上，不占用額外的軸向空間。一方面，電機軸向長度可以設計得較短，臨界轉速可以非常高，電機轉速只受材料強度的限制，這樣無軸承電機拓寬了高速電機的應用領域，特別是要求體積小、轉速高、壽命長的應用領域，如要求無粉塵、無潤滑、小體積的計算機硬盤驅動器、微型高速機床等；另一方面，在同樣轉軸長度的情況下，輸出功率將比磁軸承支承的電機大幅度提離。

②結構更趨簡單，維修更為方便，特別是電能消耗減少，傳統的磁軸承需要靜態偏置電流產生電磁力來維持轉子穩定懸浮，而無軸承交流電機不再需要，徑向力的產生是基于電機的旋轉磁場，徑向力控制