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国内外无轴承电机的研究以及前景分析

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****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，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**制造出无轴承电机。

    几乎与比克尔同时，1990年日本A.Chiba**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**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

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