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无轴承电机的研究和应用前景

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          江苏大学电气信息工程学院朱熀秋与瑞士苏黎世联邦工学院J.Hugel教授共同研制成功的世界第一台功率为4kW的无轴承永磁薄片电机工业样机。

无轴承电机起源及发展
  
        在费拉里斯和特斯拉发明多相交流系统后,19世纪80年代中期,多沃罗沃尔斯基发明了三相异步电机,异步电机无需电刷和换向器,但长期高速运行,轴承维护保养仍是难题。

        二次世界大战后,直流磁轴承技术的发展,使得电机和传动系统无接触运行成为可能,但这种传动系统造价很高,因为铁磁性物体不可能在一个恒定磁场中稳定悬浮。主动磁轴承的发明,解决了这个难题,但用主动磁轴承支承刚性转子要在5个自由度上施加控制力,磁轴承体积大、结构复杂和造价高。

        20世纪后半期,为了满足核能开发和利用,需要用超高速离心分离方法生产浓缩铀,磁轴承能满足高速电机支撑要求,于是在欧洲开始了研究各种磁轴承计划。1975年,赫尔曼申请了无轴承电机专利,专利中提出了电机绕组极对数和磁轴承绕组极对数的关系为±1。用赫尔曼提出的方案,在那个年代是不可能制造出无轴承电机的。

       随着磁性材料磁性能进一步提高,为永磁同步电机奠定了有力竞争地位。同时,随着双极晶体管的应用,以及和柏林格尔提出的无损开关电路结合,能够制造出满足无轴承电机要求的新一代高性能功率放大器。大约在1985年,具有快速和负载能力的功率开关器件和数字信号处理器的出现,使得已经提出20多年的交流电机矢量控制技术才得以实际应用,这样解决了无轴承电机数字控制的难题。瑞士苏黎世联邦工学院的比克尔在这些科技进步的基础上,于20世纪80年代后期才首次制造出无轴承电机。

        几乎与比克尔同时,1990年日本A.Chiba首次实现磁阻电机的无轴承技术。

        1993年,苏黎世联邦工学院的R.Schoeb首次实现交流电机的无轴承技术。

        无轴承电机取得实际应用,关键性突破是1998年苏黎世联邦工学院的巴莱塔研制出无轴承永磁同步薄片电机,电机结构简单,大大降低了控制系统费用,在很多领域具有很大应用价值。

        2000年,苏黎世联邦工学院的S.Sliber研制出无轴承单相电机,再一次在无轴承电机研究历史上前进了一步,降低了控制系统的费用,使得无轴承电机实际应用不仅仅是可想的,而且是经济的。无轴承电机像机械轴承支承的电机一样简单,电气控制系统并不复杂,在很多领域采用无轴承电机也很经济。我们认为在不久的将来,这种技术在中国将取得广泛的应用。

无轴承电机特点及应用

       无轴承电机是根据磁轴承与电机产生电磁力原理的相似性,把磁轴承中产生径向力的绕组安装在电机定子上,通过解耦控制实现对电机转矩和径向悬浮力的独立控制。无轴承电机具有磁悬浮磁轴承所有优点,需要免维修、长寿命运行,无菌、无污染以及有毒有害液体或气体的传输是无轴承电机典型应用场合。目前得到了如下应用。

1.半导体工业

在蚀刻、制板、清洗或抛光等加工过程中需用腐蚀性化学液体,产品质量很大程度上取决于化学液体质量,液体输送泵是关键的一个环节。像酸液、有机溶剂等腐蚀的化学液体,泵必须无污染可靠传输,并且泵要具有抗腐蚀和耐一定温度的要求。传统气动和薄片泵寿命短,大多数耐温最高只有100℃左右,运动阀和薄片仍然会产生少量的微粒,液体传输也存在着不均匀的脉动,影响了工艺处理质量。采用无轴承电机密封泵能解决传统传输中存在的缺陷,大大满足精密半导体器件生产工艺要求。目前,功率为300W的无轴承电机密封泵已经在半导体工业得到应用。

2.化工领域放射性环境或高温辐射环境等恶劣条件下,用无轴承电机密封泵进行废料处理,能解决机械轴承磨损和维修的难题。在化学工业,对有效密封传输和生产系统的需求进一步提高,传统的转轴密封的密封泵,机械轴承需要润滑,据报道80%%的故障是由于密封失效引起的,20%%是轴承、连接及其它故障。为了安全生产,免遭环境污染,使用无轴承电机密封泵是最佳选择。目前,苏黎世联邦工学院和Sulzer泵公司合作完成了功率为30kW的无轴承密封泵样机的研制和测试工作,进入了试运行阶段。

3.生命科学领域

心脏是生命的永动机,一旦发生故障难以修复。利用人工心脏部分或全部替代心脏功能成为心脏病患者生命延续的福音。利用机械轴承的血泵会产生摩擦和发热,使血细胞破损,引起溶血、凝血和血栓,甚至危及病人生命。苏黎世联邦工学院和Levitronix公司研制成功的无轴承永磁电机驱动的血泵和可以移植到人体内的心脏左心室辅助装置已经在临床中应用。

研究和应用前景

        我国开展磁悬浮列车和磁轴承研究多年,自20世纪90年代后期,江苏大学、沈阳工业大学和南京航空航天大学等先后得到了国家自然科学基金资助,开展了无轴承电机研究工作,在理论和实验方面取得了一些成绩。江苏大学电气信息工程学院朱熀秋与瑞士苏黎世联邦工学院J.Hugel教授等共同开展了功率为4kW的无轴承永磁同步电机研究和应用工作,攻克了传感器检测、功率损耗等关键技术难题,成功研制出世界上第一台功率为4kW的无轴承永磁薄片电机,预计今年将在化工工业、半导体工业等得到应用。

      在美国、日本等国家,无轴承电机在生命科学、制药行业、化工行业、半导体工业、食品工业等领域得到了应用。随着我国经济进一步发展,在很多特殊的电气传动领域必将改变传统的传动和传输方式,对提高产品质量、降低成本、减少污染将会起到重要作用。因此,在我国无轴承电机具有很大潜在应用市场,积极开展无轴承电机的研究和应用具有现实和深远意义。

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