無(wú)軸承電機(jī)起源及發(fā)展

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，僅石化資源的供應(yīng)，難以支撐人類(lèi)的需求，人們開(kāi)始把目標(biāo)轉(zhuǎn)向利用生物資源。動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)作為生物資源的主要來(lái)源，已成為工業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。生物反應(yīng)器作為細(xì)胞懸浮培養(yǎng)的核心設(shè)備，是維持細(xì)胞繁殖生長(zhǎng)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)生物反應(yīng)器內(nèi)攪拌裝置在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的剪切力，以及空氣的泄露、液體的污染都是細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過(guò)程中需要解決的難題。國(guó)內(nèi)，現(xiàn)已有很多文獻(xiàn)提出了對(duì)傳統(tǒng)生物反應(yīng)器內(nèi)攪拌槳的優(yōu)化，蔣嘯靖專(zhuān)家應(yīng)用技術(shù)模擬了50L攪拌生物反應(yīng)器中不同的攪拌槳組合對(duì)攪拌流場(chǎng)、混合時(shí)間的影響，對(duì)攪拌槳組合進(jìn)行了優(yōu)化。但攪拌槳產(chǎn)生的剪切力對(duì)細(xì)胞造成的損害，以及維修過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)油對(duì)液體造成的污染，仍然是不可避免的。

同樣的，對(duì)于大型生物反應(yīng)器，優(yōu)化攪拌槳的技術(shù)也被提出了質(zhì)疑，反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)、傳遞、反應(yīng)過(guò)程具有典型的多尺度特征，因而對(duì)于工業(yè)大型反應(yīng)器內(nèi)的微觀(guān)分子混合、流動(dòng)、傳遞狀態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)驗(yàn)室的小反應(yīng)器。無(wú)法對(duì)反應(yīng)裝置進(jìn)行正常放大，影響了對(duì)攪拌槳優(yōu)化的正確判斷。鑒于以上問(wèn)題，國(guó)外的許多學(xué)者開(kāi)始提出用無(wú)軸承電機(jī)取代傳統(tǒng)生物反應(yīng)器內(nèi)的攪拌裝置的想法。

外國(guó)學(xué)者Thomas Reichert設(shè)計(jì)了一款專(zhuān)用于生物反應(yīng)器內(nèi)的4槽12極無(wú)軸承永磁同步電機(jī)，并成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。Bernhard Warberger對(duì)用于生物反應(yīng)器內(nèi)的一款2.5kW的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的流體分布進(jìn)行了分析。但是國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)專(zhuān)用于生物反應(yīng)器內(nèi)的無(wú)軸承電機(jī)的研究還是比較稀缺的，尤其對(duì)電機(jī)損耗和溫度沒(méi)有詳細(xì)的分析。無(wú)軸承永磁同步電機(jī)在生物反應(yīng)器內(nèi)的使用，避免了剪切力的產(chǎn)生，在一定程度上保證了細(xì)胞的完整性。同時(shí)解決電機(jī)定期維修和軸承磨損的難題，保證了生物反應(yīng)器內(nèi)超潔凈和高密封的無(wú)菌環(huán)境，是代為進(jìn)行攪拌的最佳選擇。

外轉(zhuǎn)子無(wú)軸承永磁同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖1為新型生物反應(yīng)器。為了保證密封性，加強(qiáng)液體環(huán)流的產(chǎn)生，將無(wú)軸承永磁同步電機(jī)安裝在容器底部。

圖2中有兩種無(wú)軸承電機(jī)，圖2（a）為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，圖2（b）為外轉(zhuǎn)子電機(jī)。對(duì)于電機(jī)的選擇，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)不能引起環(huán)流，不適合用于液體攪拌混合。外轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑大，旋轉(zhuǎn)時(shí)能充分混合液體，是用于生物反應(yīng)器內(nèi)的最佳選擇。

外轉(zhuǎn)子無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的懸浮原理

大部分電機(jī)采用了雙繞組結(jié)構(gòu)，兩套繞組疊加在定子齒上，一套繞組提供電磁轉(zhuǎn)矩，另一套繞組提供懸浮力。研究的外轉(zhuǎn)子無(wú)軸承永磁同步電機(jī)，僅一套繞組就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和懸浮。單繞組的結(jié)構(gòu)不僅易于加工，在某種程度上也減小了電機(jī)故障的發(fā)生。這款電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)1個(gè)軸向自由度和2個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度的被動(dòng)控制，還有2個(gè)自由度的徑向控制。其中1個(gè)軸向自由度和2個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度屬于被動(dòng)懸浮控制，2個(gè)徑向自由度屬于主動(dòng)懸浮控制。在軸向和扭轉(zhuǎn)方向上的被動(dòng)懸浮控制原理，如圖4所示。

根據(jù)磁阻力特性可知，當(dāng)軸向發(fā)生位移時(shí)，磁拉力會(huì)將轉(zhuǎn)子拉回磁阻小的方向，發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生磁拉力使其回到平衡位置。

在電機(jī)中心位置，維持著一個(gè)磁平衡。但是在力量不穩(wěn)定的情況下，任何輕微的位移，都會(huì)使轉(zhuǎn)子偏離原來(lái)的位置，甚至可能完全與定子失去聯(lián)系。而徑向位置的懸浮控制，就是用來(lái)消除電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心位移。電機(jī)徑向懸浮控制屬于主動(dòng)懸浮控制，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的磁軸承電機(jī)有兩套繞組，分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組。但單繞組無(wú)軸承電機(jī)定子上只有一套繞組，產(chǎn)生兩種極對(duì)數(shù)不同的磁場(chǎng)。懸浮繞組打破了原有的磁場(chǎng)平衡，使氣隙中磁場(chǎng)分布不均勻，引起一部分磁場(chǎng)增強(qiáng)，一部分磁場(chǎng)減弱，產(chǎn)生磁拉力（麥克斯力）。

無(wú)軸承電機(jī)利用磁軸承和電機(jī)結(jié)構(gòu)的相似性，將轉(zhuǎn)矩輸出功能和懸浮功能集成于一體，不僅繼承了磁軸承無(wú)接觸、無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)磨損、無(wú)機(jī)械噪聲等特點(diǎn)，也解決了磁軸承電機(jī)體積過(guò)大的問(wèn)題，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速化領(lǐng)域開(kāi)辟了新的發(fā)展方向。 相較于其他類(lèi)型無(wú)軸承電機(jī)，永磁型無(wú)軸承電機(jī)具有功率密度大、壽命長(zhǎng)、效率高和體積小等特點(diǎn)，在飛輪儲(chǔ)能、渦輪分子泵、高速離心機(jī)以及航空航天等領(lǐng)域更具實(shí)用化優(yōu)勢(shì)，已成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。 然而目前單個(gè)的無(wú)軸承永磁電機(jī)一般只能實(shí)現(xiàn)徑向兩個(gè)自由度的懸浮，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子三自由度穩(wěn)定懸浮的磁懸浮機(jī)構(gòu)均存在較多缺陷。本項(xiàng)目提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)徑向和軸向三個(gè)自由度主動(dòng)控制懸浮的新型無(wú)軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)，該新型無(wú)軸承電機(jī)集成度更高，進(jìn)一步提高了軸向空間利用率，更易于實(shí)現(xiàn)大功率超高速運(yùn)轉(zhuǎn)；并且采用交替極結(jié)構(gòu)的無(wú)軸承電機(jī)實(shí)現(xiàn)徑向懸浮，具備固有的懸浮控制與轉(zhuǎn)矩控制解耦特性，懸浮控制模型簡(jiǎn)單，大大降低了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。 本項(xiàng)目著眼于積極推動(dòng)永磁電機(jī)無(wú)軸承技術(shù)在高速離心泵、風(fēng)機(jī)、主軸電機(jī)、飛輪貯能等領(lǐng)域的實(shí)用化，以從電機(jī)本體的角度實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化無(wú)軸承電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低整個(gè)系統(tǒng)體積與成本為研究目標(biāo)而開(kāi)展的基礎(chǔ)研究，主要完成了以下研究工作： (1)掌握和完善了無(wú)軸承交替極電機(jī)的工作原理和基本理論，初步建立了三自由度無(wú)軸承永磁電機(jī)的徑向和軸向懸浮的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了基于MATLAB/SIMULINK的轉(zhuǎn)矩控制和軸/徑向懸浮控制子系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論和控制算法的正確性。 (2)利用數(shù)值解析法，建立了無(wú)軸承交替極永磁電機(jī)空載氣隙磁場(chǎng)的全局解析模型。運(yùn)用解析法求解出的空載氣隙磁場(chǎng)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比顯示，解析法獲得的氣隙磁密波形與有限元法波形較吻合，驗(yàn)證了全局解析模型的正確性和可靠性。同時(shí)基于攝動(dòng)法推導(dǎo)并求解偏心情況下的無(wú)軸承交替極電機(jī)解析模型，氣隙磁通密度的解析結(jié)果與有限元結(jié)果相吻合，證明了偏心模型的正確性和有效性。 (3)完成了三套基于功率集成模塊（IPM）和MOSFET的轉(zhuǎn)矩控制、徑向懸浮控制、軸向懸浮控制功率系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試；完成了三套基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試，為整個(gè)控制系統(tǒng)硬件的順利集成和調(diào)試打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 (4)完成了一臺(tái)三自由度懸浮無(wú)軸承永磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制作與安裝調(diào)試，并完成了電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制與徑向與軸向單個(gè)自由度的懸浮控制實(shí)驗(yàn) 2100433B

無(wú)軸承電機(jī)是將軸承支撐與轉(zhuǎn)矩輸出功能集成于一體的新型電機(jī)，是高速電機(jī)研究領(lǐng)域的重大突破。其中永磁型無(wú)軸承電機(jī)因其功率密度大、懸浮功耗比小、效率高和體積小等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛重視。由于傳統(tǒng)無(wú)軸承電機(jī)一般只能實(shí)現(xiàn)兩自由度的主動(dòng)懸浮，在構(gòu)造五自由度全懸浮的磁懸浮電機(jī)系統(tǒng)時(shí)，需要額外附加軸向磁軸承，因此系統(tǒng)體積較大，軸向利用率低。本項(xiàng)目研究中首次提出一種采用交替極永磁電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)軸向與徑向懸浮均主動(dòng)控制的新型磁懸浮電機(jī)結(jié)構(gòu)，電機(jī)構(gòu)造更為緊湊，功能更趨完善。其中為解決三自由度主動(dòng)懸浮中軸向與徑向懸浮之間、轉(zhuǎn)矩控制與懸浮控制之間的耦合性難題，采用解析法和場(chǎng)-路結(jié)合的方法建立軸徑向懸浮與轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型，并利用三維電磁場(chǎng)有限元仿真分析耦合性問(wèn)題，優(yōu)化電機(jī)本體設(shè)計(jì)，進(jìn)而從控制的角度實(shí)現(xiàn)三者解耦。本項(xiàng)目研究將為無(wú)軸承電機(jī)在高速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的實(shí)用化奠定良好的基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)在此領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主創(chuàng)新和趕超世界先進(jìn)水平具有重要意義。