外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機已經(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)機了。但是外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機現(xiàn)在也在經(jīng)歷著不斷的發(fā)展和改進。現(xiàn)在出現(xiàn)了一種新興的外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機，叫做無軸承外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機。那么這是什么呢?
隨著經(jīng)濟的發(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。動物細胞懸浮培養(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)器作為細胞懸浮培養(yǎng)的核心設(shè)備，是維持細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)已有很多文獻提出了對傳統(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攪拌流場、混合時間的影響，對攪拌槳組合進行了優(yōu)化。但攪拌槳產(chǎn)生的剪切力對細胞造成的損害，以及維修過程中產(chǎn)生的機油對液體造成的污染，仍然是不可避免的。
同樣的，對于大型生物反應(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、傳遞、反應(yīng)過程具有典型的多尺度特征，因而對于工業(yè)大型反應(yīng)器內(nèi)的微觀分子混合、流動、傳遞狀態(tài)遠遠偏離實驗室的小反應(yīng)器。無法對反應(yīng)裝置進行正常放大，影響了對攪拌槳優(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，并成功地進行了實驗。Bernhard Warberger對用于生物反應(yīng)器內(nèi)的一款2.5kW的無軸承永磁同步電機的流體分布進行了分析。但是國內(nèi)學(xué)者對專用于生物反應(yīng)器內(nèi)的無軸承電機的研究還是比較稀缺的，尤其對電機損耗和溫度沒有詳細的分析。無軸承永磁同步電機在生物反應(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胞的完整性。同時解決電機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，是代為進行攪拌的最佳選擇。
無軸承永磁同步電機基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計
圖1為新型生物反應(yīng)器。為了保證密封性，加強液體環(huán)流的產(chǎn)生，將無軸承永磁同步電機安裝在容器底部。
圖2中有兩種無軸承電機，圖2(a)為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，圖2(b)為外轉(zhuǎn)子電機。對于電機的選擇，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機在旋轉(zhuǎn)時不能引起環(huán)流，不適合用于液體攪拌混合。外轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)子直徑大，旋轉(zhuǎn)時能充分混合液體，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的懸浮原理
目前大部分電機采用了雙繞組結(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，僅一套繞組就可以實現(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故障的發(fā)生。這款電機可以實現(xiàn)1個軸向自由度和2個扭轉(zhuǎn)自由度的被動控制，還有2個自由度的徑向控制。其中1個軸向自由度和2個扭轉(zhuǎn)自由度屬于被動懸浮控制，2個徑向自由度屬于主動懸浮控制。在軸向和扭轉(zhuǎn)方向上的被動懸浮控制原理，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，磁拉力會將轉(zhuǎn)子拉回磁阻小的方向，發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，也會產(chǎn)生磁拉力使其回到平衡位置。
在電機中心位置，維持著一個磁平衡。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，就是用來消除電機的轉(zhuǎn)子偏心位移。電機徑向懸浮控制屬于主動懸浮控制，是實現(xiàn)電機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的磁軸承電機有兩套繞組，分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組。但單繞組無軸承電機定子上只有一套繞組，產(chǎn)生兩種極對數(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，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，對于風(fēng)機來說軸承是非常重要的，軸承幾乎可以說支撐了風(fēng)機的運轉(zhuǎn)。所以在這樣的情況下，無軸承外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機就顯得是一種非常有革命性的新發(fā)明了。通過這篇文章，相信大家對無軸承外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機有了更多了解。
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