磁懸浮電機(jī)替代傳統(tǒng)電機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析

邱文俊

摘要：磁懸浮電機(jī)采用無(wú)接觸式磁軸承，避免了轉(zhuǎn)子與定子間的摩擦造成的功率損失，在使用成本方面，磁懸浮電機(jī)降低了維護(hù)過(guò)程的費(fèi)用，同時(shí)避免了轉(zhuǎn)子磨損情況，大幅度的提升了電機(jī)的使用壽命，與此同時(shí)，較小的摩擦功損失提升了電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率，提升了電機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)將磁懸浮電機(jī)目前技術(shù)現(xiàn)狀、使用成本與使用限制等因素的分析，得出結(jié)論，在使用效果與經(jīng)濟(jì)性方面，部分領(lǐng)域磁懸浮電機(jī)相比傳統(tǒng)電機(jī)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：磁懸浮電機(jī)；技術(shù)；經(jīng)濟(jì)性；可行性分析

1 緒論

磁懸浮電機(jī)是磁懸浮軸承電機(jī)的簡(jiǎn)稱，磁懸浮電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)的最大差別在于，磁懸浮電機(jī)采用磁懸浮軸承，代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)中的滾珠軸承或浮動(dòng)軸承，在使用過(guò)程中，磁懸浮電機(jī)的轉(zhuǎn)子不與定子發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，因此可以降低因滑動(dòng)摩擦造成的功率損失，同時(shí)在維護(hù)時(shí)也無(wú)需額外對(duì)運(yùn)動(dòng)面進(jìn)行潤(rùn)滑維護(hù)，但是磁懸浮電機(jī)對(duì)溫度要求較高，過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致磁懸浮軸承失穩(wěn)，影響轉(zhuǎn)子正常運(yùn)行，同時(shí)，磁懸浮軸承需額外消耗電能，以維持其懸浮能力，磁懸浮電機(jī)是否能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)，有必要從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面開(kāi)展可行性分析。

2 磁懸浮電機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

磁懸浮電機(jī)作為一種新型的電動(dòng)機(jī)形式，一經(jīng)推出即得到了良好的市場(chǎng)反饋，以下針對(duì)磁懸浮電機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)開(kāi)展分析。

（1）節(jié)能高效。在傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)日常使用的能量損耗中，摩擦損失占總能量損失的45%左右，較大的能量損失除了降低電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化能力外，也使摩擦副長(zhǎng)期處于高速摩擦狀態(tài)，大量機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，嚴(yán)重影響了電動(dòng)機(jī)的使用效能和設(shè)為可靠性，摩擦副作為電動(dòng)機(jī)的易損部位，其使用壽命往往也決定了電動(dòng)機(jī)的使用壽命，成為限制傳統(tǒng)電機(jī)壽命提升的“短板”，為了應(yīng)對(duì)這一情況，磁懸浮電機(jī)采用磁懸浮軸承，消除了因摩擦造成的能量損失和熱量積聚，以最為常見(jiàn)的磁懸浮水冷機(jī)組為例，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其能量轉(zhuǎn)化率較傳統(tǒng)電機(jī)高約35%左右，具有顯著的節(jié)能高效特點(diǎn)。

（2）維護(hù)成本低廉。電動(dòng)機(jī)作為運(yùn)動(dòng)部件，需要定期的進(jìn)行清潔與維護(hù)，維護(hù)工作的重點(diǎn)一般在于潤(rùn)滑油脂的補(bǔ)充、更換與易損部件的更換，在潤(rùn)滑油脂的更換過(guò)程中，有時(shí)還應(yīng)當(dāng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用狀況，對(duì)油道進(jìn)行清潔，一般潤(rùn)滑保養(yǎng)為常規(guī)保養(yǎng)，而油道清潔保養(yǎng)為特殊類型的保養(yǎng)，不論哪種保養(yǎng)類型，均會(huì)造成一定時(shí)間的電動(dòng)機(jī)停機(jī)，影響電動(dòng)機(jī)的使用效能，造成使用成本的提升，采用磁懸浮電機(jī)，因轉(zhuǎn)子與定子間的接觸部分較少，且主要軸承位置采用完全非接觸結(jié)構(gòu)，大大減少了摩擦副的數(shù)量，從而降低了因摩擦造成的機(jī)械損傷，因此在很大程度上免去了潤(rùn)滑保養(yǎng)的工作，同時(shí)，磁懸浮電動(dòng)機(jī)因潤(rùn)滑位置較少，在設(shè)計(jì)時(shí)避免了復(fù)雜的油道布置，從而免去了油道清潔的工作，大大降低了維護(hù)保養(yǎng)的時(shí)間及成本。

（3）系統(tǒng)耐久性好。耐久性是衡量電機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，行業(yè)要求一般工程類電機(jī)可以穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)以上，3年能量損失不得高于15%，但是這一標(biāo)準(zhǔn)很難滿足如人工心臟、呼吸機(jī)等重要設(shè)備的電動(dòng)機(jī)使用需求，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)因油道內(nèi)參與油液的積累，在長(zhǎng)期運(yùn)行后，能量損失最高可高達(dá)25%，隨著連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，電動(dòng)機(jī)溫升明顯，內(nèi)阻增大，導(dǎo)致效率顯著下降，連續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)以上，最大效率損失可達(dá)70%。為了驗(yàn)證磁懸浮電機(jī)的連續(xù)、長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)能力，針對(duì)某人工心臟內(nèi)的小型磁懸浮電機(jī)開(kāi)展了耐久試驗(yàn)，結(jié)果表明，磁懸浮電機(jī)可以連續(xù)800小時(shí)無(wú)功率損失運(yùn)行，連續(xù)1500小時(shí)可以達(dá)到90%最大效率運(yùn)行。磁懸浮電機(jī)展現(xiàn)了良好的耐久性，優(yōu)于傳統(tǒng)電機(jī)。

3 磁懸浮電機(jī)的劣勢(shì)分析

磁懸浮電機(jī)作為一種新型的電機(jī)形式，其本身設(shè)計(jì)還存在諸多不足之處，以下針對(duì)磁懸浮電機(jī)的一些缺陷開(kāi)展分析。

（1）部署成本高。磁懸浮電機(jī)雖在摩擦副的數(shù)量方面少于傳統(tǒng)電機(jī)，但因磁懸浮軸承的存在，加之技術(shù)新穎性較高，其部署成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)，以某壓縮機(jī)內(nèi)的磁懸浮電動(dòng)機(jī)為例，較傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)而言，部署磁懸浮電機(jī)的成本高出約20%，高出的成本幾乎抵消磁懸浮電動(dòng)機(jī)的使用成本優(yōu)勢(shì)。

（2）結(jié)構(gòu)較為龐大。磁懸浮電動(dòng)機(jī)需要通過(guò)磁懸浮軸承，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子的完全分離，磁懸浮軸承的原理是通過(guò)低阻抗線圈，實(shí)現(xiàn)電磁鐵的均勻磁斥力，以保證轉(zhuǎn)子的懸浮，其核心在于電流溫度的電磁線圈。為了保證磁懸浮軸承中的電磁線圈電流量均勻，需要嚴(yán)格控制電磁線圈的溫度，因此需要配套的冷卻設(shè)備，與大多數(shù)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)采用的風(fēng)冷方式不同，考慮到空氣冷卻的不均勻性，磁懸浮電動(dòng)機(jī)為了滿足冷卻需求，一般采用水冷的方式，在電機(jī)附近，配備專用水冷循環(huán)設(shè)備，結(jié)構(gòu)較為龐大。

（3）設(shè)備修復(fù)難度大。磁懸浮電動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單，其核心部件為磁懸浮軸承，磁懸浮軸承中的電磁線圈一般采用低阻抗的高純銅或銀質(zhì)導(dǎo)線，若出現(xiàn)引線斷裂，低阻抗導(dǎo)線重新連接會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域內(nèi)阻的變化，從而影響磁斥力的穩(wěn)定性，因此磁懸浮軸承一般無(wú)法進(jìn)行常規(guī)修復(fù)，而磁懸浮電動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)中，磁懸浮軸承占總成本的50%以上，磁懸浮軸承的損傷一般意味著整機(jī)的報(bào)廢，磁懸浮軸承修復(fù)難度大、部署成本高導(dǎo)致其難以在大范圍內(nèi)推廣。

4 可行性分析

通過(guò)以上對(duì)磁懸浮電機(jī)優(yōu)劣勢(shì)的分析，可以發(fā)現(xiàn)，磁懸浮電機(jī)作為一種新型的電動(dòng)機(jī)形式，其本身具有節(jié)能高效、維護(hù)成本低、耐久性好等優(yōu)勢(shì)，但是也存在部署成本高、結(jié)構(gòu)龐大、設(shè)備修復(fù)難度大等不利之處，綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，磁懸浮電機(jī)可以在重要醫(yī)療器械、重點(diǎn)部位壓縮機(jī)等需要連續(xù)、長(zhǎng)期輸出穩(wěn)定動(dòng)力的設(shè)備中得到應(yīng)用，而對(duì)于一般工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、民用家電等低技術(shù)領(lǐng)域，因磁懸浮電機(jī)部署成本高等不足，目前而言還不足以代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動(dòng)機(jī)。

5 結(jié)論

磁懸浮電機(jī)通過(guò)創(chuàng)新性的磁懸浮軸承設(shè)計(jì)，大幅減少了電動(dòng)機(jī)中摩擦副的使用，從而減少了因摩擦造成的功率損失，同時(shí)接觸部位的減少也降低了設(shè)備的維護(hù)成本。但磁懸浮電機(jī)作為新興產(chǎn)品，其部署成本較高，目前一般適用于對(duì)可靠性要求較高的領(lǐng)域，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著磁懸浮電機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，磁懸浮電機(jī)可以得到更加廣闊的應(yīng)用。

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