外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機(jī)已經(jīng)是我們比較熟悉的一種應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和我們的日常生活的風(fēng)機(jī)了。但是外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機(jī)現(xiàn)在也在經(jīng)歷著不斷的發(fā)展和改進(jìn)。現(xiàn)在出現(xiàn)了一種新興的外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機(jī)，叫做無軸承外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機(jī)。那么這是什么呢?
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，僅石化資源的供應(yīng)，難以支撐人類的需求，人們開始把目標(biāo)轉(zhuǎn)向利用生物資源。動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)作為生物資源的主要來源，已成為工業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。生物反應(yīng)器作為細(xì)胞懸浮培養(yǎng)的核心設(shè)備，是維持細(xì)胞繁殖生長的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)生物反應(yīng)器內(nèi)攪拌裝置在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的剪切力，以及空氣的泄露、液體的污染都是細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程中需要解決的難題。國內(nèi)，現(xiàn)已有很多文獻(xiàn)提出了對(duì)傳統(tǒng)生物反應(yīng)器內(nèi)攪拌槳的優(yōu)化，蔣嘯靖專家應(yīng)用技術(shù)模擬了50L攪拌生物反應(yīng)器中不同的攪拌槳組合對(duì)攪拌流場、混合時(shí)間的影響，對(duì)攪拌槳組合進(jìn)行了優(yōu)化。但攪拌槳產(chǎn)生的剪切力對(duì)細(xì)胞造成的損害，以及維修過程中產(chǎn)生的機(jī)油對(duì)液體造成的污染，仍然是不可避免的。
同樣的，對(duì)于大型生物反應(yīng)器，優(yōu)化攪拌槳的技術(shù)也被提出了質(zhì)疑，反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)、傳遞、反應(yīng)過程具有典型的多尺度特征，因而對(duì)于工業(yè)大型反應(yīng)器內(nèi)的微觀分子混合、流動(dòng)、傳遞狀態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)驗(yàn)室的小反應(yīng)器。無法對(duì)反應(yīng)裝置進(jìn)行正常放大，影響了對(duì)攪拌槳優(yōu)化的正確判斷。鑒于以上問題，國外的許多學(xué)者開始提出用無軸承電機(jī)取代傳統(tǒng)生物反應(yīng)器內(nèi)的攪拌裝置的想法。
外國學(xué)者Thomas Reichert設(shè)計(jì)了一款專用于生物反應(yīng)器內(nèi)的4槽12極無軸承永磁同步電機(jī)，并成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。Bernhard Warberger對(duì)用于生物反應(yīng)器內(nèi)的一款2.5kW的無軸承永磁同步電機(jī)的流體分布進(jìn)行了分析。但是國內(nèi)學(xué)者對(duì)專用于生物反應(yīng)器內(nèi)的無軸承電機(jī)的研究還是比較稀缺的，尤其對(duì)電機(jī)損耗和溫度沒有詳細(xì)的分析。無軸承永磁同步電機(jī)在生物反應(yīng)器內(nèi)的使用，避免了剪切力的產(chǎn)生，在一定程度上保證了細(xì)胞的完整性。同時(shí)解決電機(jī)定期維修和軸承磨損的難題，保證了生物反應(yīng)器內(nèi)超潔凈和高密封的無菌環(huán)境，是代為進(jìn)行攪拌的最佳選擇。
無軸承永磁同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
圖1為新型生物反應(yīng)器。為了保證密封性，加強(qiáng)液體環(huán)流的產(chǎn)生，將無軸承永磁同步電機(jī)安裝在容器底部。
圖2中有兩種無軸承電機(jī)，圖2(a)為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，圖2(b)為外轉(zhuǎn)子電機(jī)。對(duì)于電機(jī)的選擇，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)不能引起環(huán)流，不適合用于液體攪拌混合。外轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑大，旋轉(zhuǎn)時(shí)能充分混合液體，是用于生物反應(yīng)器內(nèi)的最佳選擇。
無軸承永磁同步電機(jī)的懸浮原理
目前大部分電機(jī)采用了雙繞組結(jié)構(gòu)，兩套繞組疊加在定子齒上，一套繞組提供電磁轉(zhuǎn)矩，另一套繞組提供懸浮力。研究的外轉(zhuǎn)子無軸承永磁同步電機(jī)，僅一套繞組就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和懸浮。單繞組的結(jié)構(gòu)不僅易于加工，在某種程度上也減小了電機(jī)故障的發(fā)生。這款電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)1個(gè)軸向自由度和2個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度的被動(dòng)控制，還有2個(gè)自由度的徑向控制。其中1個(gè)軸向自由度和2個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度屬于被動(dòng)懸浮控制，2個(gè)徑向自由度屬于主動(dòng)懸浮控制。在軸向和扭轉(zhuǎn)方向上的被動(dòng)懸浮控制原理，如圖4所示。
根據(jù)磁阻力特性可知，當(dāng)軸向發(fā)生位移時(shí)，磁拉力會(huì)將轉(zhuǎn)子拉回磁阻小的方向，發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生磁拉力使其回到平衡位置。
在電機(jī)中心位置，維持著一個(gè)磁平衡。但是在力量不穩(wěn)定的情況下，任何輕微的位移，都會(huì)使轉(zhuǎn)子偏離原來的位置，甚至可能完全與定子失去聯(lián)系。而徑向位置的懸浮控制，就是用來消除電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心位移。電機(jī)徑向懸浮控制屬于主動(dòng)懸浮控制，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的磁軸承電機(jī)有兩套繞組，分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組。但單繞組無軸承電機(jī)定子上只有一套繞組，產(chǎn)生兩種極對(duì)數(shù)不同的磁場。懸浮繞組打破了原有的磁場平衡，使氣隙中磁場分布不均勻，引起一部分磁場增強(qiáng)，一部分磁場減弱，產(chǎn)生磁拉力(麥克斯力)。
綜上所述，大家都知道的是，對(duì)于風(fēng)機(jī)來說軸承是非常重要的，軸承幾乎可以說支撐了風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。所以在這樣的情況下，無軸承外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機(jī)就顯得是一種非常有革命性的新發(fā)明了。通過這篇文章，相信大家對(duì)無軸承外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機(jī)有了更多了解。
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