随着经济的发展，仅石化资源的供应，难以支撑人类的需求，人们开始把目标转向利用生物资源。动物细胞悬浮培养作为生物资源的主要来源，已成为工业生产的重要环节。生物反应器作为细胞悬浮培养的核心设备，是维持细胞繁殖生长的重要环节。传统生物反应器内搅拌装置在旋转过程中产生的剪切力，以及空气的泄露、液体的污染都是细胞悬浮培养过程中需要解决的难题。国内，现已有很多文献提出了对传统生物反应器内搅拌桨的优化，蒋啸靖专家应用技术模拟了50L搅拌生物反应器中不同的搅拌桨组合对搅拌流场、混合时间的影响，对搅拌桨组合进行了优化。但搅拌桨产生的剪切力对细胞造成的损害，以及维修过程中产生的机油对液体造成的污染，仍然是不可避免的。

同样的，对于大型生物反应器，优化搅拌桨的技术也被提出了质疑，反应器内的流动、传递、反应过程具有典型的多尺度特征，因而对于工业大型反应器内的微观分子混合、流动、传递状态远远偏离实验室的小反应器。无法对反应装置进行正常放大，影响了对搅拌桨优化的正确判断。鉴于以上问题，国外的许多学者开始提出用无轴承电机取代传统生物反应器内的搅拌装置的想法。

外国学者Thomas Reichert设计了一款专用于生物反应器内的4槽12极无轴承永磁同步电机，并成功地进行了实验。Bernhard Warberger对用于生物反应器内的一款2.5kW的无轴承永磁同步电机的流体分布进行了分析。但是国内学者对专用于生物反应器内的无轴承电机的研究还是比较稀缺的，尤其对电机损耗和温度没有详细的分析。无轴承永磁同步电机在生物反应器内的使用，避免了剪切力的产生，在一定程度上保证了细胞的完整性。同时解决电机定期维修和轴承磨损的难题，保证了生物反应器内超洁净和高密封的无菌环境，是代为进行搅拌的最佳选择。

图1为新型生物反应器。为了保证密封性，加强液体环流的产生，将无轴承永磁同步电机安装在容器底部。

图2中有两种无轴承电机，图2（a）为内转子电机，图2（b）为外转子电机。对于电机的选择，内转子电机在旋转时不能引起环流，不适合用于液体搅拌混合。外转子电机的转子直径大，旋转时能充分混合液体，是用于生物反应器内的最佳选择。

大部分电机采用了双绕组结构，两套绕组叠加在定子齿上，一套绕组提供电磁转矩，另一套绕组提供悬浮力。研究的外转子无轴承永磁同步电机，仅一套绕组就可以实现转子的旋转和悬浮。单绕组的结构不仅易于加工，在某种程度上也减小了电机故障的发生。这款电机可以实现1个轴向自由度和2个扭转自由度的被动控制，还有2个自由度的径向控制。其中1个轴向自由度和2个扭转自由度属于被动悬浮控制，2个径向自由度属于主动悬浮控制。在轴向和扭转方向上的被动悬浮控制原理，如图4所示。

根据磁阻力特性可知，当轴向发生位移时，磁拉力会将转子拉回磁阻小的方向，发生扭转时，也会产生磁拉力使其回到平衡位置。

在电机中心位置，维持着一个磁平衡。但是在力量不稳定的情况下，任何轻微的位移，都会使转子偏离原来的位置，甚至可能完全与定子失去联系。而径向位置的悬浮控制，就是用来消除电机的转子偏心位移。电机径向悬浮控制属于主动悬浮控制，是实现电机稳定运行的关键技术之一。传统的磁轴承电机有两套绕组，分别为转矩绕组和悬浮绕组。但单绕组无轴承电机定子上只有一套绕组，产生两种极对数不同的磁场。悬浮绕组打破了原有的磁场平衡，使气隙中磁场分布不均匀，引起一部分磁场增强，一部分磁场减弱，产生磁拉力（麦克斯力）。