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無軸承電機起源、發(fā)展及應用

瀏覽次數(shù): 發(fā)布日期:2014-09-27 11:08

導讀:在費拉里斯和特斯拉發(fā)明多相交流系統(tǒng)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。
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、結構復雜和造價高。
    20世紀后半期,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(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才得以實際應用,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(xiàn)磁阻電機的無軸承技術。
    1993年,蘇黎世聯(lián)邦工學院的R.Schoeb首次實現(xiàn)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(lián)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(tǒng)費用,在很多領域具有很大應用價值。
    2000年,蘇黎世聯(lián)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(tǒng)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(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)并不復雜,在很多領域采用無軸承電機也很經(jīng)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(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用場合。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程中需用腐蝕性化學液體,產(chǎn)品質(zhì)量很大程度上取決于化學液體質(zhì)量,液體輸送泵是關鍵的一個環(huán)節(jié)。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(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)在半導體工業(yè)得到應用。
    2.化工領域放射性環(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(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(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(yè)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(lián)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(yè)、半導體工業(yè)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(yè)、化工行業(yè)、半導體工業(yè)、食品工業(yè)等領域得到了應用。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用市場,積極開展無軸承電機的研究和應用具有現(xiàn)實和深遠意義。讓我們祝愿電機的發(fā)展前景廣闊!

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