无轴承电机起源及发展

随着经济的发展，仅石化资源的供应，难以支撑人类的需求，人们开始把目标转向利用生物资源。动物细胞悬浮培养作为生物资源的主要来源，已成为工业生产的重要环节。生物反应器作为细胞悬浮培养的核心设备，是维持细胞繁殖生长的重要环节。传统生物反应器内搅拌装置在旋转过程中产生的剪切力，以及空气的泄露、液体的污染都是细胞悬浮培养过程中需要解决的难题。国内，现已有很多文献提出了对传统生物反应器内搅拌桨的优化，蒋啸靖专家应用技术模拟了50L搅拌生物反应器中不同的搅拌桨组合对搅拌流场、混合时间的影响，对搅拌桨组合进行了优化。但搅拌桨产生的剪切力对细胞造成的损害，以及维修过程中产生的机油对液体造成的污染，仍然是不可避免的。

同样的，对于大型生物反应器，优化搅拌桨的技术也被提出了质疑，反应器内的流动、传递、反应过程具有典型的多尺度特征，因而对于工业大型反应器内的微观分子混合、流动、传递状态远远偏离实验室的小反应器。无法对反应装置进行正常放大，影响了对搅拌桨优化的正确判断。鉴于以上问题，国外的许多学者开始提出用无轴承电机取代传统生物反应器内的搅拌装置的想法。

外国学者Thomas Reichert设计了一款专用于生物反应器内的4槽12极无轴承永磁同步电机，并成功地进行了实验。Bernhard Warberger对用于生物反应器内的一款2.5kW的无轴承永磁同步电机的流体分布进行了分析。但是国内学者对专用于生物反应器内的无轴承电机的研究还是比较稀缺的，尤其对电机损耗和温度没有详细的分析。无轴承永磁同步电机在生物反应器内的使用，避免了剪切力的产生，在一定程度上保证了细胞的完整性。同时解决电机定期维修和轴承磨损的难题，保证了生物反应器内超洁净和高密封的无菌环境，是代为进行搅拌的最佳选择。

外转子无轴承永磁同步电机基本结构的设计

图1为新型生物反应器。为了保证密封性，加强液体环流的产生，将无轴承永磁同步电机安装在容器底部。

图2中有两种无轴承电机，图2（a）为内转子电机，图2（b）为外转子电机。对于电机的选择，内转子电机在旋转时不能引起环流，不适合用于液体搅拌混合。外转子电机的转子直径大，旋转时能充分混合液体，是用于生物反应器内的最佳选择。

外转子无轴承永磁同步电机的悬浮原理

大部分电机采用了双绕组结构，两套绕组叠加在定子齿上，一套绕组提供电磁转矩，另一套绕组提供悬浮力。研究的外转子无轴承永磁同步电机，仅一套绕组就可以实现转子的旋转和悬浮。单绕组的结构不仅易于加工，在某种程度上也减小了电机故障的发生。这款电机可以实现1个轴向自由度和2个扭转自由度的被动控制，还有2个自由度的径向控制。其中1个轴向自由度和2个扭转自由度属于被动悬浮控制，2个径向自由度属于主动悬浮控制。在轴向和扭转方向上的被动悬浮控制原理，如图4所示。

根据磁阻力特性可知，当轴向发生位移时，磁拉力会将转子拉回磁阻小的方向，发生扭转时，也会产生磁拉力使其回到平衡位置。

在电机中心位置，维持着一个磁平衡。但是在力量不稳定的情况下，任何轻微的位移，都会使转子偏离原来的位置，甚至可能完全与定子失去联系。而径向位置的悬浮控制，就是用来消除电机的转子偏心位移。电机径向悬浮控制属于主动悬浮控制，是实现电机稳定运行的关键技术之一。传统的磁轴承电机有两套绕组，分别为转矩绕组和悬浮绕组。但单绕组无轴承电机定子上只有一套绕组，产生两种极对数不同的磁场。悬浮绕组打破了原有的磁场平衡，使气隙中磁场分布不均匀，引起一部分磁场增强，一部分磁场减弱，产生磁拉力（麦克斯力）。

无轴承电机利用磁轴承和电机结构的相似性，将转矩输出功能和悬浮功能集成于一体，不仅继承了磁轴承无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声等特点，也解决了磁轴承电机体积过大的问题，为电机驱动高速化领域开辟了新的发展方向。 相较于其他类型无轴承电机，永磁型无轴承电机具有功率密度大、寿命长、效率高和体积小等特点，在飞轮储能、涡轮分子泵、高速离心机以及航空航天等领域更具实用化优势，已成为电机驱动高速化研究领域的热点之一。 然而目前单个的无轴承永磁电机一般只能实现径向两个自由度的悬浮，能够实现转子三自由度稳定悬浮的磁悬浮机构均存在较多缺陷。本项目提出了一种能够实现径向和轴向三个自由度主动控制悬浮的新型无轴承电机结构，该新型无轴承电机集成度更高，进一步提高了轴向空间利用率，更易于实现大功率超高速运转；并且采用交替极结构的无轴承电机实现径向悬浮，具备固有的悬浮控制与转矩控制解耦特性，悬浮控制模型简单，大大降低了控制系统设计难度。 本项目着眼于积极推动永磁电机无轴承技术在高速离心泵、风机、主轴电机、飞轮贮能等领域的实用化，以从电机本体的角度实现简化无轴承电机系统的机械结构，降低整个系统体积与成本为研究目标而开展的基础研究，主要完成了以下研究工作： (1)掌握和完善了无轴承交替极电机的工作原理和基本理论，初步建立了三自由度无轴承永磁电机的径向和轴向悬浮的数学模型，构建了基于MATLAB/SIMULINK的转矩控制和轴/径向悬浮控制子系统的仿真模型，仿真结果验证了理论和控制算法的正确性。 (2)利用数值解析法，建立了无轴承交替极永磁电机空载气隙磁场的全局解析模型。运用解析法求解出的空载气隙磁场结果与有限元分析结果对比显示，解析法获得的气隙磁密波形与有限元法波形较吻合，验证了全局解析模型的正确性和可靠性。同时基于摄动法推导并求解偏心情况下的无轴承交替极电机解析模型，气隙磁通密度的解析结果与有限元结果相吻合，证明了偏心模型的正确性和有效性。 (3)完成了三套基于功率集成模块（IPM）和MOSFET的转矩控制、径向悬浮控制、轴向悬浮控制功率系统的硬件设计与调试；完成了三套基于DSP的数字控制系统硬件设计与调试，为整个控制系统硬件的顺利集成和调试打下坚实基础。 (4)完成了一台三自由度悬浮无轴承永磁电机实验样机的设计、制作与安装调试，并完成了电机转矩控制与径向与轴向单个自由度的悬浮控制实验 2100433B

无轴承电机是将轴承支撑与转矩输出功能集成于一体的新型电机，是高速电机研究领域的重大突破。其中永磁型无轴承电机因其功率密度大、悬浮功耗比小、效率高和体积小等优势而受到广泛重视。由于传统无轴承电机一般只能实现两自由度的主动悬浮，在构造五自由度全悬浮的磁悬浮电机系统时，需要额外附加轴向磁轴承，因此系统体积较大，轴向利用率低。本项目研究中首次提出一种采用交替极永磁电机来实现轴向与径向悬浮均主动控制的新型磁悬浮电机结构，电机构造更为紧凑，功能更趋完善。其中为解决三自由度主动悬浮中轴向与径向悬浮之间、转矩控制与悬浮控制之间的耦合性难题，采用解析法和场-路结合的方法建立轴径向悬浮与转矩的数学模型，并利用三维电磁场有限元仿真分析耦合性问题，优化电机本体设计，进而从控制的角度实现三者解耦。本项目研究将为无轴承电机在高速驱动领域的实用化奠定良好的基础，对我国在此领域实现自主创新和赶超世界先进水平具有重要意义。