無軸承電機起源及發(fā)展

　　在費拉里斯和特斯拉發(fā)明多相交流系統(tǒng)后，19世紀(jì)80年代中期，多沃羅沃爾斯基發(fā)明了三相異步電機，異步電機無需電刷和換向器，但長期高速運行，軸承維護保養(yǎng)仍是難題。

　　二次世界大戰(zhàn)后，直流磁軸承技術(shù)的發(fā)展，使得電機和傳動系統(tǒng)無接觸運行成為可能，但這種傳動系統(tǒng)造價很高，因為鐵磁性物體不可能在一個恒定磁場中穩(wěn)定懸浮。主動磁軸承的發(fā)明，解決了這個難題，但用主動磁軸承支承剛性轉(zhuǎn)子要在5個自由度上施加控制力，磁軸承體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和造價高。

　　20世紀(jì)后半期，為了滿足核能開發(fā)和利用，需要用超高速離心分離方法生產(chǎn)濃縮鈾，磁軸承能滿足高速電機支撐要求，于是在歐洲開始了研究各種磁軸承計劃。1975年，赫爾曼申請了無軸承電機專利，專利中提出了電機繞組極對數(shù)和磁軸承繞組極對數(shù)的關(guān)系為±1。用赫爾曼提出的方案，在那個年代是不可能制造出無軸承電機的。

　　隨著磁性材料磁性能進一步提高，為永磁同步電機奠定了有力競爭地位。同時，隨著雙極晶體管的應(yīng)用，以及和柏林格爾提出的無損開關(guān)電路結(jié)合，能夠制造出滿足無軸承電機要求的新一代高性能功率放大器。大約在1985年，具有快速和負(fù)載能力的功率開關(guān)器件和數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，使得已經(jīng)提出20多年的交流電機矢量控制技術(shù)才得以實際應(yīng)用，這樣解決了無軸承電機數(shù)字控制的難題。瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的比克爾在這些科技進步的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)80年代后期才首次制造出無軸承電機。

　　幾乎與比克爾同時，1990年日本A.Chiba首次實現(xiàn)磁阻電機的無軸承技術(shù)。

　　1993年，蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的R.Schoeb首次實現(xiàn)交流電機的無軸承技術(shù)。

　　無軸承電機取得實際應(yīng)用，關(guān)鍵性突破是1998年蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的巴萊塔研制出無軸承永磁同步薄片電機，電機結(jié)構(gòu)簡單，大大降低了控制系統(tǒng)費用，在很多領(lǐng)域具有很大應(yīng)用價值。

　　2000年，蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的S.Sliber研制出無軸承單相電機，再一次在無軸承電機研究歷史上前進了一步，降低了控制系統(tǒng)的費用，使得無軸承電機實際應(yīng)用不僅僅是可想的，而且是經(jīng)濟的。無軸承電機像機械軸承支承的電機一樣簡單，電氣控制系統(tǒng)并不復(fù)雜，在很多領(lǐng)域采用無軸承電機也很經(jīng)濟。我們認(rèn)為在不久的將來，這種技術(shù)在中國將取得廣泛的應(yīng)用。

　　 無軸承電機特點及應(yīng)用

　　無軸承電機是根據(jù)磁軸承與電機產(chǎn)生電磁力原理的相似性，把磁軸承中產(chǎn)生徑向力的繞組安裝在電機定子上，通過解耦控制實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力的獨立控制。無軸承電機具有磁懸浮磁軸承所有優(yōu)點，需要免維修、長壽命運行，無菌、無污染以及有毒有害液體或氣體的傳輸是無軸承電機典型應(yīng)用場合。目前得到了如下應(yīng)用。

　　 1.半導(dǎo)體工業(yè)

　　在蝕刻、制板、清洗或拋光等加工過程中需用腐蝕性化學(xué)液體，產(chǎn)品質(zhì)量很大程度上取決于化學(xué)液體質(zhì)量，液體輸送泵是關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。像酸液、有機溶劑等腐蝕的化學(xué)液體，泵必須無污染可靠傳輸，并且泵要具有抗腐蝕和耐一定溫度的要求。傳統(tǒng)氣動和薄片泵壽命短，大多數(shù)耐溫最高只有100℃左右，運動閥和薄片仍然會產(chǎn)生少量的微粒，液體傳輸也存在著不均勻的脈動，影響了工藝處理質(zhì)量。采用無軸承電機密封泵能解決傳統(tǒng)傳輸中存在的缺陷，大大滿足精密半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝要求。目前，功率為300W的無軸承電機密封泵已經(jīng)在半導(dǎo)體工業(yè)得到應(yīng)用。

　　 2.化工領(lǐng)域放射性環(huán)境或高溫輻射環(huán)境等惡劣條件下，用無軸承電機密封泵進行廢料處理，能解決機械軸承磨損和維修的難題。在化學(xué)工業(yè)，對有效密封傳輸和生產(chǎn)系統(tǒng)的需求進一步提高，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸密封的密封泵，機械軸承需要潤滑，據(jù)報道80%的故障是由于密封失效引起的，20%是軸承、連接及其它故障。為了安全生產(chǎn)，免遭環(huán)境污染，使用無軸承電機密封泵是最佳選擇。目前，蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院和Sulzer泵公司合作完成了功率為30kW的無軸承密封泵樣機的研制和測試工作，進入了試運行階段。

　　 3.生命科學(xué)領(lǐng)域

　　心臟是生命的永動機，一旦發(fā)生故障難以修復(fù)。利用人工心臟部分或全部替代心臟功能成為心臟病患者生命延續(xù)的福音。利用機械軸承的血泵會產(chǎn)生摩擦和發(fā)熱，使血細(xì)胞破損，引起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命。蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院和Levitronix公司研制成功的無軸承永磁電機驅(qū)動的血泵和可以移植到人體內(nèi)的心臟左心室輔助裝置已經(jīng)在臨床中應(yīng)用。

　　 研究和應(yīng)用前景

　　我國開展磁懸浮列車和磁軸承研究多年，自20世紀(jì)90年代后期，江蘇大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等先后得到了國家自然科學(xué)基金資助，開展了無軸承電機研究工作，在理論和實驗方面取得了一些成績。江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院朱？秋與瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院J.Hugel教授等共同開展了功率為4kW的無軸承永磁同步電機研究和應(yīng)用工作，攻克了傳感器檢測、功率損耗等關(guān)鍵技術(shù)難題，成功研制出世界上第一臺功率為4kW的無軸承永磁薄片電機，預(yù)計2004年將在化工工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)等得到應(yīng)用。

　　在美國、日本等國家，無軸承電機在生命科學(xué)、制藥行業(yè)、化工行業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、食品工業(yè)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。隨著我國經(jīng)濟進一步發(fā)展，在很多特殊的電氣傳動領(lǐng)域必將改變傳統(tǒng)的傳動和傳輸方式，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少污染將會起到重要作用。因此，在我國無軸承電機具有很大潛在應(yīng)用市場，積極開展無軸承電機的研究和應(yīng)用具有現(xiàn)實和深遠(yuǎn)意義。