引言：無軸承電機(jī)不使用球軸承和滑動(dòng)軸承，能夠在非接觸的狀態(tài)下利用磁力支撐軸，并同時(shí)施加旋轉(zhuǎn)力。2008年5月28日，致力于無軸承電機(jī)實(shí)用化的風(fēng)險(xiǎn)公司——MotorSolution(總部：千葉縣野田市)宣告成立。該公司將首先投產(chǎn)用于半導(dǎo)體制造工廠中的超純水泵的電機(jī)，使銷售額達(dá)到約100萬日元。
該公司為大學(xué)創(chuàng)辦的風(fēng)險(xiǎn)公司，其目的是投產(chǎn)東京理科大學(xué)理工學(xué)部電氣電子信息工學(xué)系教授千葉明等人開發(fā)的“交替極型(Consequent-Pole)”無軸承電機(jī)。董事長由千葉教授學(xué)生時(shí)代一起進(jìn)行研究的楊仲慶擔(dān)任，千葉教授任專務(wù)董事。楊仲慶還是提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)用逆變電路受托開發(fā)的Myway技研公司董事長。MotorSolution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(biāo)是在業(yè)務(wù)化后第三年，使無軸承電機(jī)的開發(fā)、制造與銷售，以及普通電機(jī)的受托服務(wù)的合計(jì)銷售額達(dá)到1億日元。
無軸承電機(jī)因?yàn)闊o需滑座，所以具有以下特征：
(1)幾乎不產(chǎn)生灰塵；
(2)能夠高速旋轉(zhuǎn)；
(3)能夠耐極低溫、真空等難以使用潤滑油的環(huán)境；
(4)噪聲小；
(5)基本上無摩擦損失。因此一直是研究的熱點(diǎn)。
以往雖然有過在電機(jī)上另行安裝磁軸承的先例，但是隨著電機(jī)的大型化，出現(xiàn)了不管電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)，都需要隨時(shí)供應(yīng)懸浮電力的課題。對此，研究人員通過靈活利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，開發(fā)出了旋轉(zhuǎn)的同時(shí)使軸懸浮的方式，但這種方式普遍存在浮力較小、扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通電機(jī)等問題。
千葉教授在研究中發(fā)現(xiàn)，交替極型結(jié)構(gòu)極為適合于無軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)。浮力能夠達(dá)到此前的無軸承電機(jī)的30倍以上，扭矩也只比普通電機(jī)降低10%左右。
交替極型的結(jié)構(gòu)如下：使轉(zhuǎn)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(shè)置鐵心。這樣，轉(zhuǎn)子外側(cè)N極發(fā)出的磁通量將首先進(jìn)入對置的定子，然后出現(xiàn)彎轉(zhuǎn)，由定子進(jìn)入轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)最初由英國研究人員開發(fā)，其目的是減少磁鐵數(shù)量，以降低電機(jī)價(jià)格。
使用上述轉(zhuǎn)子時(shí)，由于支撐軸的磁通量全部通過轉(zhuǎn)子的鐵心，因此，即使增加永磁鐵的厚度，也不會(huì)出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，并且，無論轉(zhuǎn)子位于什么角度，都可產(chǎn)生穩(wěn)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(yīng)的高速控制。
此次應(yīng)用于超純水泵的是5軸控制無軸承電機(jī)。可以對電機(jī)徑向軸位差(二維)、軸向位差、軸沿徑向傾斜位差(二維)，共計(jì)5個(gè)軸向進(jìn)行控制。電機(jī)直徑不到200mm，去除軸的突起部分后，電機(jī)全長也不到200mm。具有最高轉(zhuǎn)速6000rpm、功率、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(fā)此次電機(jī)的難點(diǎn)在于必須把轉(zhuǎn)子和定子的間隙擴(kuò)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(jī)都可直接置于水中。也就是說，轉(zhuǎn)子和定子均由樹脂覆蓋，之間通入水，需要額外設(shè)置一定間隙，縮小對水的阻力。為此，該公司這次在轉(zhuǎn)子和定子周圍設(shè)置了2mm的樹脂層，并在樹脂層之間設(shè)置了1mm的間隙。“普通電機(jī)的間隙為左右。為了把這一距離擴(kuò)大10倍，并且使其在無軸承的情況下高效工作，設(shè)計(jì)過程非常艱辛”(千葉教授)。因?yàn)楫?dāng)間隙較小時(shí)，二維電磁場分析可以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，如果擴(kuò)大間隙，設(shè)計(jì)就需要使用三維電磁場分析。
MotorSolution的競爭對手是總部位于瑞士蘇黎世的Levitronics。Levitronics的產(chǎn)品為2軸控制，當(dāng)水壓突然改變時(shí)，軸會(huì)發(fā)生傾斜，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子碰撞。此次，MotorSolution將搶在Levitronics之前上市5軸控制超純水泵，除了在惡劣環(huán)境下使用的用途之外，還將最大限度地利用無機(jī)械軸承的優(yōu)勢，向可使高速旋轉(zhuǎn)的軸進(jìn)行緩慢位移等特殊用途進(jìn)軍。
