?

隨著經濟的發展，僅石化資源的供應，難以支撐人類的需求，人們開始把目標轉向利用生物資源。動物細胞懸浮培養作為生物資源的主要來源，已成為工業生產的重要環節。生物反應器作為細胞懸浮培養的核心設備，是維持細胞繁殖生長的重要環節。傳統生物反應器內攪拌裝置在旋轉過程中產生的剪切力，以及空氣的泄露、液體的污染都是細胞懸浮培養過程中需要解決的難題。國內，現已有很多文獻提出了對傳統生物反應器內攪拌槳的優化，蔣嘯靖專家應用技術模擬了50L攪拌生物反應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化。但攪拌槳產生的剪切力對細胞造成的損害，以及維修過程中產生的機油對液體造成的污染，仍然是不可避免的。

同樣的，對于大型生物反應器，優化攪拌槳的技術也被提出了質疑，反應器內的流動、傳遞、反應過程具有典型的多尺度特征，因而對于工業大型反應器內的微觀分子混合、流動、傳遞狀態遠遠偏離實驗室的小反應器。無法對反應裝置進行正常放大，影響了對攪拌槳優化的正確判斷。鑒于以上問題，國外的許多學者開始提出用無軸承電機取代傳統生物反應器內的攪拌裝置的想法。

外國學者Thomas Reichert設計了一款專用于生物反應器內的4槽12極無軸承永磁同步電機，并成功地進行了實驗。Bernhard Warberger對用于生物反應器內的一款2.5kW的無軸承永磁同步電機的流體分布進行了分析。但是國內學者對專用于生物反應器內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器內的使用，避免了剪切力的產生，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，保證了生物反應器內超潔凈和高密封的無菌環境，是代為進行攪拌的最佳選擇。

圖1為新型生物反應器。為了保證密封性，加強液體環流的產生，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）為內轉子電機，圖2（b）為外轉子電機。對于電機的選擇，內轉子電機在旋轉時不能引起環流，不適合用于液體攪拌混合。外轉子電機的轉子直徑大，旋轉時能充分混合液體，是用于生物反應器內的最佳選擇。

大部分電機采用了雙繞組結構，兩套繞組疊加在定子齒上，一套繞組提供電磁轉矩，另一套繞組提供懸浮力。研究的外轉子無軸承永磁同步電機，僅一套繞組就可以實現轉子的旋轉和懸浮。單繞組的結構不僅易于加工，在某種程度上也減小了電機故障的發生。這款電機可以實現1個軸向自由度和2個扭轉自由度的被動控制，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。在軸向和扭轉方向上的被動懸浮控制原理，如圖4所示。

根據磁阻力特性可知，當軸向發生位移時，磁拉力會將轉子拉回磁阻小的方向，發生扭轉時，也會產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。但是在力量不穩定的情況下，任何輕微的位移，都會使轉子偏離原來的位置，甚至可能完全與定子失去聯系。而徑向位置的懸浮控制，就是用來消除電機的轉子偏心位移。電機徑向懸浮控制屬于主動懸浮控制，是實現電機穩定運行的關鍵技術之一。傳統的磁軸承電機有兩套繞組，分別為轉矩繞組和懸浮繞組。但單繞組無軸承電機定子上只有一套繞組，產生兩種極對數不同的磁場。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，產生磁拉力（麥克斯力）。