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国内外无轴承电机的研究以及应用前景
2006年7月13日 9:12  

    江苏大学电气信息工程学院朱?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,液体输送是关键的一个环节。

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