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無(wú)軸承電機研究和應用前景
無(wú)軸承電機起源及發(fā)展
在費拉里斯和特斯拉發(fā)明多相交流系統后，19世紀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(wú)需電刷和換向器，但長(cháng)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(shù)的發(fā)展，使得電機和傳動(dòng)系統無(wú)接觸運行成為可能，但這種傳動(dòng)系統造價(jià)很高，因為鐵磁性物體不可能在一個(gè)恒定磁場(chǎng)中穩定懸浮。主動(dòng)磁軸承的發(fā)明，解決了這個(gè)難題，但用主動(dòng)磁軸承支承剛性轉子要在5個(gè)自由度上施加控制力，磁軸承體積大、結構復雜和造價(jià)高。
20世紀后半期，為了滿(mǎn)足核能開(kāi)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(mǎn)足高速電機支撐要求，于是在歐洲開(kāi)始了研究各種磁軸承計劃。1975年，赫爾曼申請了無(wú)軸承電機專(zhuān)利，專(zhuān)利中提出了電機繞組極對數和磁軸承繞組極對數的關(guān)系為±1。用赫爾曼提出的方案，在那個(gè)年代是不可能制造出無(wú)軸承電機的。
隨著(zhù)磁性材料磁性能進(jìn)一步提高，為永磁同步電機奠定了有力競爭地位。同時(shí)，隨著(zhù)雙極晶體管的應用，以及和柏林格爾提出的無(wú)損開(kāi)關(guān)電路結合，能夠制造出滿(mǎn)足無(wú)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(kāi)關(guān)器件和數字信號處理器的出現，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(shí)際應用，這樣解決了無(wú)軸承電機數字控制的難題。瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的比克爾在這些科技進(jìn)步的基礎上，于20世紀80年代后期才首次制造出無(wú)軸承電機。
幾乎與比克爾同時(shí)，1990年日本a.chiba首次實(shí)現磁阻電機的無(wú)軸承技術(shù)。
1993年，蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的r.schoeb首次實(shí)現交流電機的無(wú)軸承技術(shù)。
無(wú)軸承電機取得實(shí)際應用，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(wú)軸承永磁同步薄片電機，電機結構簡(jiǎn)單，大大降低了控制系統費用，在很多領(lǐng)域具有很大應用價(jià)值。
2000年，蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的s.sliber研制出無(wú)軸承單相電機，再一次在無(wú)軸承電機研究歷史上前進(jìn)了一步，降低了控制系統的費用，使得無(wú)軸承電機實(shí)際應用不僅僅是可想的，而且是經(jīng)濟的。無(wú)軸承電機像機械軸承支承的電機一樣簡(jiǎn)單，電氣控制系統并不復雜，在很多領(lǐng)域采用無(wú)軸承電機也很經(jīng)濟。我們認為在不久的將來(lái)，這種技術(shù)在中國將取得廣泛的應用。
無(wú)軸承電機特點(diǎn)及應用
無(wú)軸承電機是根據磁軸承與電機產(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(guò)解耦控制實(shí)現對電機轉矩和徑向懸浮力的獨立控制。無(wú)軸承電機具有磁懸浮磁軸承所有優(yōu)點(diǎn)，需要免維修、長(cháng)壽命運行，無(wú)菌、無(wú)污染以及有毒有害液體或氣體的傳輸是無(wú)軸承電機典型應用場(chǎng)合。目前得到了如下應用。
1.半導體工業(yè)
在蝕刻、制板、清洗或拋光等加工過(guò)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(gè)環(huán)節。像酸液、有機溶劑等腐蝕的化學(xué)液體，泵必須無(wú)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(dòng)和薄片泵壽命短，大多數耐溫最高只有100℃左右，運動(dòng)閥和薄片仍然會(huì )產(chǎn)生少量的微粒，液體傳輸也存在著(zhù)不均勻的脈動(dòng)，影響了工藝處理質(zhì)量。采用無(wú)軸承電機密封泵能解決傳統傳輸中存在的缺陷，大大滿(mǎn)足精密半導體器件生產(chǎn)工藝要求。目前，功率為300w的無(wú)軸承電機密封泵已經(jīng)在半導體工業(yè)得到應用。
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(wú)軸承電機密封泵進(jìn)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)系統的需求進(jìn)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(chǎn)，免遭環(huán)境污染，使用無(wú)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(wú)軸承密封泵樣機的研制和測試工作，進(jìn)入了試運行階段。
3.生命科學(xué)領(lǐng)域
心臟是生命的永動(dòng)機，一旦發(fā)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(huì )產(chǎn)生摩擦和發(fā)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(lián)邦工學(xué)院和levitronix公司研制成功的無(wú)軸承永磁電機驅動(dòng)的血泵和可以移植到人體內的心臟左心室輔助裝置已經(jīng)在臨床中應用。
研究和應用前景
我國開(kāi)展磁懸浮列車(chē)和磁軸承研究多年，自20世紀90年代后期，江蘇大學(xué)、沈陽(yáng)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(kāi)展了無(wú)軸承電機研究工作，在理論和實(shí)驗方面取得了一些成績(jì)。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(kāi)展了功率為4kw的無(wú)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(guān)鍵技術(shù)難題，成功研制出世界上第一臺功率為4kw的無(wú)軸承永磁薄片電機，預計2004年將在化工工業(yè)、半導體工業(yè)等得到應用。
在美國、日本等國家，無(wú)軸承電機在生命科學(xué)、制藥行業(yè)、化工行業(yè)、半導體工業(yè)、食品工業(yè)等領(lǐng)域得到了應用。隨著(zhù)我國經(jīng)濟進(jìn)一步發(fā)展，在很多特殊的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域必將改變傳統的傳動(dòng)和傳輸方式，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少污染將會(huì )起到重要作用。因此，在我國無(wú)軸承電機具有很大潛在應用市場(chǎng)，積極開(kāi)展無(wú)軸承電機的研究和應用具有現實(shí)和深遠意義。
論文出處(作者):
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