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無軸承電機的研究和應用前景

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          江蘇大學電氣信息工程學院朱熀秋與瑞士蘇黎世聯邦工學院J.Hugel教授共同研制成功的世界第一臺功率為4kW的無軸承永磁薄片電機工業樣機。

無軸承電機起源及發展
  
        在費拉里斯和特斯拉發明多相交流系統后,19世紀80年代中期,多沃羅沃爾斯基發明了三相異步電機,異步電機無需電刷和換向器,但長期高速運行,軸承維護保養仍是難題。

        二次世界大戰后,直流磁軸承技術的發展,使得電機和傳動系統無接觸運行成為可能,但這種傳動系統造價很高,因為鐵磁性物體不可能在一個恒定磁場中穩定懸浮。主動磁軸承的發明,解決了這個難題,但用主動磁軸承支承剛性轉子要在5個自由度上施加控制力,磁軸承體積大、結構復雜和造價高。

        20世紀后半期,為了滿足核能開發和利用,需要用超高速離心分離方法生產濃縮鈾,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和磁軸承繞組極對數的關系為±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用,以及和柏林格爾提出的無損開關電路結合,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,具有快速和負載能力的功率開關器件和數字信號處理器的出現,使得已經提出20多年的交流電機矢量控制技術才得以實際應用,這樣解決了無軸承電機數字控制的難題。瑞士蘇黎世聯邦工學院的比克爾在這些科技進步的基礎上,于20世紀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首次實現磁阻電機的無軸承技術。

        1993年,蘇黎世聯邦工學院的R.Schoeb首次實現交流電機的無軸承技術。

        無軸承電機取得實際應用,關鍵性突破是1998年蘇黎世聯邦工學院的巴萊塔研制出無軸承永磁同步薄片電機,電機結構簡單,大大降低了控制系統費用,在很多領域具有很大應用價值。

        2000年,蘇黎世聯邦工學院的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,降低了控制系統的費用,使得無軸承電機實際應用不僅僅是可想的,而且是經濟的。無軸承電機像機械軸承支承的電機一樣簡單,電氣控制系統并不復雜,在很多領域采用無軸承電機也很經濟。我們認為在不久的將來,這種技術在中國將取得廣泛的應用。

無軸承電機特點及應用

       無軸承電機是根據磁軸承與電機產生電磁力原理的相似性,把磁軸承中產生徑向力的繞組安裝在電機定子上,通過解耦控制實現對電機轉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用場合。目前得到了如下應用。

1.半導體工業

在蝕刻、制板、清洗或拋光等加工過程中需用腐蝕性化學液體,產品質量很大程度上取決于化學液體質量,液體輸送泵是關鍵的一個環節。像酸液、有機溶劑等腐蝕的化學液體,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。傳統氣動和薄片泵壽命短,大多數耐溫最高只有100℃左右,運動閥和薄片仍然會產生少量的微粒,液體傳輸也存在著不均勻的脈動,影響了工藝處理質量。采用無軸承電機密封泵能解決傳統傳輸中存在的缺陷,大大滿足精密半導體器件生產工藝要求。目前,功率為300W的無軸承電機密封泵已經在半導體工業得到應用。

2.化工領域放射性環境或高溫輻射環境等惡劣條件下,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。在化學工業,對有效密封傳輸和生產系統的需求進一步提高,傳統的轉軸密封的密封泵,機械軸承需要潤滑,據報道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,免遭環境污染,使用無軸承電機密封泵是最佳選擇。目前,蘇黎世聯邦工學院和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.生命科學領域

心臟是生命的永動機,一旦發生故障難以修復。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的福音。利用機械軸承的血泵會產生摩擦和發熱,使血細胞破損,引起溶血、凝血和血栓,甚至危及病人生命。蘇黎世聯邦工學院和Levitronix公司研制成功的無軸承永磁電機驅動的血泵和可以移植到人體內的心臟左心室輔助裝置已經在臨床中應用。

研究和應用前景

        我國開展磁懸浮列車和磁軸承研究多年,自20世紀90年代后期,江蘇大學、沈陽工業大學和南京航空航天大學等先后得到了國家自然科學基金資助,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。江蘇大學電氣信息工程學院朱熀秋與瑞士蘇黎世聯邦工學院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用工作,攻克了傳感器檢測、功率損耗等關鍵技術難題,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,預計今年將在化工工業、半導體工業等得到應用。

      在美國、日本等國家,無軸承電機在生命科學、制藥行業、化工行業、半導體工業、食品工業等領域得到了應用。隨著我國經濟進一步發展,在很多特殊的電氣傳動領域必將改變傳統的傳動和傳輸方式,對提高產品質量、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用市場,積極開展無軸承電機的研究和應用具有現實和深遠意義。

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