一、离心力的产生与表达

在旋转坐标系中，为保持物体做圆周运动，需要施加一个大小为

的惯性力，其中 $m$ 为物体质量，$\omega$ 为角速度（rad/s），$r$ 为转距（m）。将角速度换算为转速 $n$（rpm），有 $\omega =2\pi n/60$。常用相对离心力（RCF，×g）来表达分离强度：

RCF 与转速平方及半径成正比，是评估分离条件的关键参数。

二、样品中颗粒的运动机理

样品中悬浮颗粒在离心力场作用下，其沉降速度可用修正后的斯托克斯定律描述：

其中，ρp\rho_pρp、ρf\rho_fρf 分别为颗粒和流体密度，rpr_prp 为颗粒半径，$\mu$ 为流体粘度。高转速增大 ω2r\omega^2 rω2r，明显加快细微颗粒的沉降速度，缩短分离时间。流体的湍流与剪切也会影响颗粒轨迹，需控制温度和加速／减速曲线以避免扰动。

三、电动机驱动与转鼓动力学

电动离心机的核心是电机—转鼓系统：

1. 电机类型：常见交流异步、电刷／无刷直流（BLDC）、伺服电机等，选型需兼顾扭矩输出与最高转速能力。

2. 传动方式：皮带传动成本低、维护便捷；直联驱动效率高、同轴度要求严。超速机常采用磁悬浮轴承＋直驱技术，降低摩擦损耗与振动。

3. 转鼓设计：材质从铝合金、不锈钢到碳纤维复合，各具轻量化与强度优势。转鼓壁厚与曲面形状通过有限元分析优化，以承受高速下的径向、环向拉应力。

四、加速与减速曲线控制

离心过程包括加速—恒速—减速三个阶段：

• 加速阶段：逐步升速可减少液体涡流与剪切力，保护热敏生物分子；常设置多段线性或指数曲线。

• 恒速阶段：达到设定 RC F 后维持一定时间，以保证目标组分充分沉降。

• 减速阶段：缓降速可避免沉淀层破坏或再悬浮，特别对梯度分离（如蔗糖梯度）至关重要。

控制器通过闭环转速传感器反馈，实现 PID 调节，配合程序化存储不同样品的优化曲线。

五、温度控制与样品稳定

高速旋转会产生摩擦与空气阻力，导致腔体及样品温度上升：

1. 制冷系统：压缩机＋蒸发器风冷或水冷、半导体制冷板，根据样品耐受范围（通常 4℃–25℃）设定。

2. 加热功能：部分恒温离心机可在 4℃–60℃ 范围加热，满足特殊化学反应或酶动力学实验需求。

3. 温度均匀性：风道设计与双通道传感器可保证腔体内温差 ≤ ±1℃，避免局部过热影响分离效果。

六、不平衡检测与安全保护

离心机高速运行若存在质量偏心，将产生剧烈振动，对设备和操作人员带来危险。

• 不平衡传感器：加速度或者振动速度传感器监测偏心程度，超过设定阈值自动停机或降速。

• 超速保护：转速传感器＋双通道监控，当速度超出安全范围（如最大 RPM 的 90%）立即切断电源。

• 门盖互锁：离心过程中锁住机盖；只有在转鼓完全停止且内部转速低于安全值时，机械或电磁锁才会解锁。

七、分离模式与样品收集

根据转鼓结构与分离目的，常见模式包括：

1. 固定角度分离：快捷高效，常用于血细胞、微量离心管；沉降径较短，沉淀在管壁一侧。

2. 摆臂分层：转管在离心力作用下水平摆开，沉降界面平整，便于梯度分层和取样。

3. 水平旋转：提供最大径向沉降面积，用于纳米颗粒、膜蛋白等高分辨率超速分离。

根据样品密度梯度及体积需求，可在转鼓底部或摆臂上配置取样口、排液阀等附件，实现分层回收或连续排液。

八、控制系统与数据管理

现代电动离心机配备先进控制器：

• 触摸屏／按键界面：参数设置友好，支持多段程序、定时启动／停止、故障自诊断。

• 通讯接口：USB、RS-232、以太网或 Wi-Fi，可将运行日志、温度曲线、振动记录导出，用于 LIMS／MES 追溯。

• 远程监控：部分型号提供 PC 或手机 App 实时监测与远程控制，提高实验室或生产线自动化水平。

九、应用优化与运行维护

1. 转鼓选型：依据样品量、管规格和分离目的，选择合适孔位和材质的转鼓及转头；

2. 日常校准：每 3–6 个月进行动平衡检测，校正偏心环或更换磨损部件；

3. 润滑与清洁：轴承润滑参照厂家周期，转鼓、腔体及密封件用中性清洗剂或消毒液清洗，避免腐蚀；

4. 故障诊断：对照控制器报警代码，排查振动、电气或制冷故障，确保设备长期稳定运行。

十、结语

电动离心机通过电机驱动转鼓高速旋转，产生强大的径向离心力场，将样品中不同密度、粒径的组分高效分离。其基本工作原理涵盖离心力学、流体力学和机械振动学，并通过精确的速度、温度、平衡和安全控制，实现快速、可靠的分离过程。理解并掌握这些核心原理，是科学选型、优化运行与延长设备寿命的关键。