无轴承电机面向超纯水泵的特性和用途

无轴承电机不使用球轴承和滑动轴承，能够在非接触的状态下利用磁力支撑轴，并同时施加旋转力。2008年5月28日，致力于无轴承电机实用化的风险公司——Motor Solution（总部：千叶县野田市）宣告成立。该公司将首先投产用于半导体制造工厂中的超纯水泵的电机，使销售额达到约100万日元。
　　该公司为大学创办的风险公司，其目的是投产东京理科大学理工学部电气电子信息工学系教授千叶明等人开发的“交替极型（Consequent-Pole）”无轴承电机。董事长由千叶教授学生时代一起进行研究的杨仲庆担任，千叶教授任专务董事。杨仲庆还是提供电机驱动用逆变电路受托开发的Myway技研公司董事长。Motor Solution的注册资本为1400万日元，由长年与千叶一起从事研究的人员提供。新公司的目标是在业务化后第三年，使无轴承电机的开发、制造与销售，以及普通电机的受托服务的合计销售额达到1亿日元。
　　无轴承电机因为无需滑座，所以具有以下特征：
　　（1）几乎不产生灰尘;
　　（2）能够高速旋转;
　　（3）能够耐极低温、真空等难以使用润滑油的环境;
　　（4）噪声小;
　　（5）基本上无摩擦损失。因此一直是研究的热点。
　　以往虽然有过在电机上另行安装磁轴承的先例，但是随着电机的大型化，出现了不管电机是否运转，都需要随时供应悬浮电力的课题。对此，研究人员通过灵活利用电机旋转的驱动机构，开发出了旋转的同时使轴悬浮的方式，但这种方式普遍存在浮力较小、扭矩远远低于普通电机等问题。
　　千叶教授在研究中发现，交替极型结构极为适合于无轴承电机结构。浮力能够达到此前的无轴承电机的30倍以上，扭矩也只比普通电机降低10%左右。
　　交替极型的结构如下：使转子中嵌入的永磁铁全部沿同一方向（例如N极全部朝外），并在磁铁与磁铁之间设置铁心。这样，转子外侧N极发出的磁通量将首先进入对置的定子，然后出现弯转，由定子进入转子的铁心（即铁心成为S极。成为“交替极”），zui后返回该磁铁S极，形成磁路。交替极型结构zui初由英国研究人员开发，其目的是减少磁铁数量，以降低电机价格。
　　使用上述转子时，由于支撑轴的磁通量全部通过转子的铁心，因此，即使增加永磁铁的厚度，也不会出现退磁现象，并且，无论转子位于什么角度，都可产生稳定的对轴支持力。不需要类似编码器的角度位置传感器及其相应的高速控制。
　　此次应用于超纯水泵的是5轴控制无轴承电机。可以对电机径向轴位差（二维）、轴向位差、轴沿径向倾斜位差（二维），共计5个轴向进行控制。电机直径不到200mm，去除轴的突起部分后，电机全长也不到200mm。具有zui高转速6000rpm、功率1.2kW、zui大扭矩约2N·m的性能。轴向载荷约为100N。另外，轴位置的控制使用涡流式传感器。
　　开发此次电机的难点在于必须把转子和定子的间隙扩大到5mm。由于泵为密封泵，线圈部分密封，在水中也能够使用，叶轮和电机都可直接置于水中。也就是说，转子和定子均由树脂覆盖，之
　　间通入水，需要额外设置一定间隙，缩小对水的阻力。为此，该公司这次在转子和定子周围设置了2mm的树脂层，并在树脂层之间设置了1mm的间隙。“普通电机的间隙为0.5mm左右。为了把这一距离扩大10倍，并且使其在无轴承的情况下工作，设计过程非常艰辛”（千叶教授）。因为当间隙较小时，二维电磁场分析可以与实验结果一致，如果扩大间隙，设计就需要使用三维电磁场分析。
　　Motor Solution的竞争对手是总部位于瑞士苏黎世的Levitronics。
　　Levitronics的产品为2轴控制，当水压突然改变时，轴会发生倾斜，导致转子和定子碰撞。此次，MotorSolution将抢在Levitronics之前上市5轴控制超纯水泵，除了在恶劣环境下使用的用途之外，还将zui大限度地利用无机械轴承的优势，向可使高速旋转的轴进行缓慢位移等特殊用途进军。