无轴承电机是集驱动与自悬浮功能于一体的新型电机，与传统的磁悬浮电机相比，由于其不需要配备占有相当轴向空间的径向磁悬浮轴承，因而其体积和重量大为减少，而临界转速大幅度提高，可突破大功率和微型化应用领域的限制。同时，由于磁悬浮是以电机的旋转磁场为偏置磁场，无需另再建立偏置磁场，因而磁悬浮功耗比降低，在飞轮贮能等领域应用极具优越性。该电机自20 世纪90年代提出以来，已逐步成为高速电机研究领域的热点。无轴承电机的种类很多，其中结构简单、易于弱磁、可靠性高的无轴承异步电机尤其受到广泛的重视。由于无轴承电机的悬浮是定子上转矩绕组和悬浮绕组相互作用的结果，实现电磁转矩和悬浮力之间的解耦控制是无轴承电机运行的基本要求，也是该领域研究的难点。较为典型的基于转矩绕组气隙磁场定向控制算法需要在两套绕组控制子系统之间传递转矩绕组的气隙磁链信息，而没有实现真正相互独立意义上的解耦控制。
该控制算法在超高速电机的控制实施过程中由于对控制器的运算速度及转速传感器的响应频率提出了过高的要求而缺乏实用性。另外气隙磁场定向控制因其本身机理的制约存在着最大转矩限制，影响到它在重载和大功率条件下的应用，同时其复杂解耦算法还缺乏应用上的灵活性。研究表明：转矩绕组的气隙磁场定向只是实现无轴承异步电机解耦控制的充分条件，而非必要条件。如果能在线辩识转矩绕组的气隙磁场的幅值和相位，实现无轴承异步电机转矩绕组和磁悬浮控制绕组（即电磁转矩和悬浮力）之间的独立控制成为可能，这样一来电机的转矩绕组或采用普通的转子磁场定向控制，即可以利用通用变频器供电；或采用无速度传感器技术，即电机可以超高速运转。无轴承电机的实用性将为此而大大增强。基于此，本文研制了一套独立的悬浮绕组控制系统，与之相关的转矩绕组气隙磁场的幅值和相位采用电压模型辩识获得，而转矩绕组本身采用普通的变频器供电。实验证明该悬浮绕组控制系统能满足无轴承异步电机的实时控制要求，并具有良好的稳、动态性能。
基本原理
在电机的定子中放入两套具有不同极对数的绕组，转矩绕组（极对数p1，电角频率w1），悬浮控制绕组（极对数p2，电角频率w2）。悬浮控制绕组的引入，打破了电机原旋转磁场的平衡，使得作用在转子上的磁张应力（即麦克思韦力）分布不均匀，磁通密度高的区域麦克思韦力大，反之较弱。当两套绕组满足p2=p1±1、w2=w1条件时，电机中才能产生可控的悬浮力。无轴承异步电机（p1=1，p2=2）两个磁场的相互调制使得转子左右侧气隙磁通密度不均匀，其结果产生的麦克思韦合力（即径向悬浮力）指向X 轴的正方向；两个磁场的相互作用则产生了沿Y轴正方向的悬浮力。通过转子径向位移的负反馈控制，可以控制转轴上径向力的大小和方向，从而实现转轴的悬浮。
两套绕组非独立控制的局限性
由于悬浮绕组的控制对转矩绕组气隙磁链相位信息的准确度要求较高，文献[8]中指出气隙磁链相位误差不能超过15º，否则将不能稳定悬浮。在超高速应用中如采用传统算法,一般采用一套数字控制器控制一套绕组子系统，两套绕组控制子系统之间的数据传递采用双机通讯，而双机通讯至少存在着一个控制周期的相位误差，要想减少相位误差，必须缩短控制周期，市场上的运算较快的电机专用控制数字信号处理器如TMS320F2407A 或ADMC401 均难以满足该电机超高速运转要求。
就转速传感器而言，由于相位精度的要求和考虑控制延时，要求转子每转一周传感器至少输出48 个脉冲，如要求电机转速高达60000r·min，则传感器的响应频率则需高达48k 以上，普通光电码盘能满足这一要求但不适合高速运转，其它通用的非接触型传感器如电涡流传感器和霍尔传感器则难以满足这一要求。
本文提出的悬浮子系统独立控制算法在一台无轴承异步电机原理样机上进行实验分析。悬浮控制系统采用一片DSP（TMS320F2407A）实现其独立控制，转矩绕组采用另一片DSP 实现经典的V/ f调速控制，两片DSP 完全独立运行，实验中不需要转速传感器信号。实验样机参数：额定功率p1N=120W，额定转速nN=3000 r/min，转子重量Gr=10N，转动惯量J=0.00034kg·m，电机气隙长度d=250mm，辅助机械轴承间隙值d1=200mm，转矩绕组：p1=1，R1s= 33.15W，R1r=24.51 W，L1s=1.31H，L1r=1.31H，L1m= 1.23H；控制绕组：p2=2，L2m=0.009H。电机稳态转速为50r/min和3000 r/min 时转子沿x、y方向上径向跳动位移、悬浮控制绕组的相电流。其中转子径向跳动稳态值小于40mm，速度较高时转子径向跳动稳态值小于30mm，电机实现平稳悬浮电机转速从1500 r/min 突然加速到3000 r/min 的过渡特性，从上向下依次为x、y方向上径向跳动位移dx、dy、转速nr过渡过程、转矩绕组相电流iA1、悬浮控制绕组的相电流iA2。可以看出，转速突变电磁转矩必然随之变化，但对径向悬浮（位移）没有明显影响，可见悬浮控制子系统实现了独立控制。
实验过程中，电机从50 r/min 到6000 r/min 的范围内均能实现动态悬浮，转轴径向跳动稳态值小于40mm。转矩绕组分别采用V/f调速控制、转子磁场定向控制或气隙磁场定向控制时，悬浮子系统独立控制性能均很稳定。
实现无轴承异步电机的径向力悬浮绕组和转矩绕组的相互独立控制是无轴承异步电机走向实用化和超高速运行的有效手段。本文采用电压模型法辩识了电机转矩绕组的气隙磁链，并在此基础上实现了悬浮绕组的独立控制，从而使转矩绕组采用普通的变频器供电成为可行，提高了无轴承电机运行的可靠性。实验结果表明本文提出的控制算法不仅能实现无轴承电机平稳的悬浮，而在转矩绕组的控制上具有相当灵活性。
