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挑戰無軸承電機，首先面向超純水泵用途
中國軸承網 發布時間:2008/07/09
無軸承電機不使用球軸承和滑動軸承，能夠在非接觸的狀態下利用磁力支撐軸，并同時施加旋轉力。2008年5月28日，致力于無軸承電機實用化的風險公司——Motor Solution（總部：千葉縣野田市）宣告成立。該公司將首先投產用于半導體制造工廠中的超純水泵的電機，使銷售額達到約100萬日元。
該公司為大學創辦的風險公司，其目的是投產東京理科大學理工學部電氣電子信息工學系教授千葉明等人開發的“交替極型（Consequent-Pole）”無軸承電機。董事長由千葉教授學生時代一起進行研究的楊仲慶擔任，千葉教授任專務董事。楊仲慶還是提供電機驅動用逆變電路受托開發的Myway技研公司董事長。Motor Solution的注冊資本為1400萬日元，由長年與千葉一起從事研究的人員提供。新公司的目標是在業務化后第三年，使無軸承電機的開發、制造與銷售，以及普通電機的受托服務的合計銷售額達到1億日元。
無軸承電機因為無需滑座，所以具有以下特征：（1）幾乎不產生灰塵；（2）能夠高速旋轉；（3）能夠耐極低溫、真空等難以使用潤滑油的環境；（4）噪聲小；（5）基本上無摩擦損失。因此一直是研究的熱點。
以往雖然有過在電機上另行安裝磁軸承的先例，但是隨著電機的大型化，出現了不管電機是否運轉，都需要隨時供應懸浮電力的課題。對此，研究人員通過靈活利用電機旋轉的驅動機構，開發出了旋轉的同時使軸懸浮的方式，但這種方式普遍存在浮力較小、扭矩遠遠低于普通電機等問題。
千葉教授在研究中發現，交替極型結構極為適合于無軸承電機結構。浮力能夠達到此前的無軸承電機的30倍以上，扭矩也只比普通電機降低10％左右。
交替極型的結構如下：使轉子中嵌入的永磁鐵全部沿同一方向（例如N極全部朝外），并在磁鐵與磁鐵之間設置鐵心。這樣，轉子外側N極發出的磁通量將首先進入對置的定子，然后出現彎轉，由定子進入轉子的鐵心（即鐵心成為S極。成為“交替極”），最后返回該磁鐵S極，形成磁路。交替極型結構最初由英國研究人員開發，其目的是減少磁鐵數量，以降低電機價格。
使用上述轉子時，由于支撐軸的磁通量全部通過轉子的鐵心，因此，即使增加永磁鐵的厚度，也不會出現退磁現象，并且，無論轉子位于什么角度，都可產生穩定的對軸支持力。不需要類似編碼器的角度位置傳感器及其相應的高速控制。
此次應用于超純水泵的是5軸控制無軸承電機。可以對電機徑向軸位差（二維）、軸向位差、軸沿徑向傾斜位差（二維），共計5個軸向進行控制。電機直徑不到200mm，去除軸的突起部分后，電機全長也不到200mm。具有最高轉速6000rpm、功率1.2kW、最大扭矩約2N·m的性能。軸向載荷約為100N。另外，軸位置的控制使用渦流式傳感器。
開發此次電機的難點在于必須把轉子和定子的間隙擴大到5mm。由于泵為密封泵，線圈部分密封，在水中也能夠使用，葉輪和電機都可直接置于水中。也就是說，轉子和定子均由樹脂覆蓋，之間通入水，需要額外設置一定間隙，縮小對水的阻力。為此，該公司這次在轉子和定子周圍設置了2mm的樹脂層，并在樹脂層之間設置了1mm的間隙。“普通電機的間隙為0.5mm左右。為了把這一距離擴大10倍，并且使其在無軸承的情況下高效工作，設計過程非常艱辛”（千葉教授）。因為當間隙較小時，二維電磁場分析可以與實驗結果一致，如果擴大間隙，設計就需要使用三維電磁場分析。
Motor Solution的競爭對手是總部位于瑞士蘇黎世的Levitronics。Levitronics的產品為2軸控制，當水壓突然改變時，軸會發生傾斜，導致轉子和定子碰撞。此次，Motor Solution將搶在Levitronics之前上市5軸控制超純水泵，除了在惡劣環境下使用的用途之外，還將最大限度地利用無機械軸承的優勢，向可使高速旋轉的軸進行緩慢位移等特殊用途進軍.
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