磁轴承

高性能轴承

磁轴承，是一种新型高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境。可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。

基本内容

主动磁悬浮轴承(Active Magnetic Bearing),是一种应用转子动力学、机械学、电工电子学、控制工程、磁性材料、测试技术、数字信号处理等综合技术,通过受控磁场力将转子和轴承分开,实现无机械接触的新型高性能轴承。

由于不存在机械接触,磁轴承具有无摩擦、无磨损、无需润滑的特点,转子可以高速旋转,其转速只受转子材料强度的限制,功耗和噪声极低,能适用于多种复杂的应用环境。磁轴承的另一个突出优点是转子运行状态可以由控制系统实时检测,可以在线评估不平衡大小并能对不平衡进行主动控制,从而使转子系统的控制达到很高的精度。磁轴承具有的这些特点,使它在很多应用领域内与传统滚动轴承、油膜轴承以及气体轴承相比具有明显的优越性。

磁轴承分类

按照磁力的提供方式,磁轴承可分为如下三大类:

(1)有源磁轴承(ActiveMagneticBearing简称AMB),也称为主动磁轴承,磁场是可控的,通过检测被悬浮转子的位置,由控制系统进行主动控制实现转子悬浮;

(2)无源磁轴承P(assiveMagnetioBearing简称PMB),也称为被动磁轴承,以永磁体或超导体实现对转子部分自由度的支承;

(3)混合磁轴承(永磁偏置)(H沙ridMa,etieBearing简称HMB),其机械结构中包含了电磁铁和永磁体或超导体。

磁轴承利用电磁铁和铁磁材料之间的吸力实现转子的无接触悬浮,如果电磁铁中通过的是恒定励磁电流,则转子属于不稳定系统,微小的扰动就能使转子偏离平衡位置而无法复原,因此,必须对磁轴承施加主动控制才能使转子稳定工作。

磁轴承系统

磁轴承系统是由以下五部分组成：控制器、转子、电磁铁、传感器和功率放大器。其中最为关键的部件就是控制器。控制器的性能基本上决定了整个磁悬浮轴承系统的性能。控制器的控制规律决定了磁轴承系统的动态性能以及刚度、阻尼和稳定性。

控制器又分为两种：模拟控制器和数字控制器。虽然国内目前广泛采用的模拟控制器虽然在一定程度上满足了系统的稳定性，但模拟控制器与数字控制器相比有以下不足：（一）调节不方便；（二）难以实现复杂的控制；（三）不能同时实现两个及两个以上自由度的控制；（四）互换性差，即不同的磁悬浮轴承必须有相对应的控制器；（五）功耗大、体积大等。

磁轴承要得到广泛的应用，模拟控制器的在线调节性能差不能不说是其原因之一，因此，数字化方向是磁轴承的发展趋势。同时，要实现磁轴承系统的智能化，显然模拟控制器是难以满足这方面的要求。因此从提高磁轴承性能、可靠性、增强控制器的柔性和减小体积、功耗和今后往网络化、智能化方向发展等角度，必须实现控制器数字化。近三十年来控制理论得到飞速发展并取得了广泛应用。

发展

我国对磁轴承的研究始于50年代末，后因各种原因进展不快，近十年才引起科研单位的足够重视。清华大学工程物理系的赵鸿宾教授从1988年致力于此项研究，赵教授介绍说，磁轴承属机电一体化产品，是控制理论、电子电力、电磁学、转子动力学及计算机科学等学科交叉的结晶，进行这项研究，有很强的学科意义。同时，磁轴承具有的高速、高精度、长寿命等突出优点，将逐渐带领机电行业走向一个没有摩擦、没有损耗、没有限速的崭新境界。

质量评估

衡量磁轴承质量的关键是看它的转速、回旋精度和支承刚度。赵鸿宾教授所在机电与控制实验室1994年研制的卧式五自由度磁轴承系统，转速高达每分钟53200转；1997年成功进行了内圆磨削实验；今年实现了数控高速磁转速每分钟近5万转轴承，回转精度1μm，这些成绩均属国内首创。

差距

与国外磁轴承相比，我们在水平上还存在着一定差距，但国外磁轴承的价格十分昂贵，而且出于技术上保密的原因，国外磁轴承公司不对中国进行小批量磁轴承的出售。磁轴承能否产业化，其发展速度和水平关系着民族工业的前途，其市场潜力也是非常巨大的。

原理

利用电场力、磁场力使轴悬浮的滑动轴承。用电场力悬浮的为静电轴承，用磁场力悬浮的为磁力轴承（见图），用电场力和磁场力共同悬浮的为组合式轴承。后一种轴承既有电极又有磁极，在电路连接上使电容和电感相互对应调谐，其刚度比前两者要高得多，而最大力所对应的位移却很小。电磁轴承因轴与轴承无直接接触，不需润滑，能在真空中和很宽的温度范围内工作，摩擦阻力小，不受速度限制（有的转速高达2300万转/分,线速度高达3倍音速）,使用寿命长,结构可多样化。静电轴承需要很大的电场强度,应用受到限制，只能在少数仪表中使用。磁力轴承具有较大的承载能力和刚度，已用于超高速列车、超高速离心机、水轮发电机、空间飞行器的角动量飞轮、流量计、密度计、功率表、真空泵、精密稳流器和陀螺仪等。随着磁性材料和电子技术的发展，电磁轴承的应用正日益扩大。

电场力与电场强度、电位移和电极面积成正比，磁场力与磁场强度、磁感应强度和磁极面积成正比。适当选择电场或磁场参数和几何尺寸，可得到一定的轴承承载能力和刚度。静电吸力或磁引力与物体间距离的平方成反比，根据安尔休定理，这种静力学系统是静不定的，所以除采用抗磁体或超导体的轴承外，在静电场或静磁场下工作的轴承是不稳定的。为使电磁轴承能稳定工作，必须采用伺服装置或调整电路参数等方法进行控制。实际使用的电磁轴承一般由径向轴承、推力轴承、伺服控制回路、阻尼器、速度传感器或位置传感器等组成。

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