电磁轴承的原理与应用

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I0 I x x x0 x 0
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式中: μ0 ——真空磁导率； A ——磁极面积； N ——线圈匝数； I0 , I ——偏置电流与控制电流； x0 , x ——静态间隙与转子位移。
图 3 轴向磁轴承结构图 Fig.3 The structure of the axial active magnetic bearing
第 42 卷第 8 期
严文彩， 等： 电磁轴承的原理与应用
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部件包括轴、传感器、控制器和执行器（见图 1） ， [1] 其中执行器由电磁铁和功率放大器组成 。
数和磁极面积决定的，而磁极的面积最终是由磁极 的几何参数所决定。
图 1 电磁轴承ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ构原理图 Fig.1 The structure and principle of active magnetic bearings
图 2 径向电磁轴承的电磁结构 Fig.2 The magnetic structure of the radial active magnetic bearing
转子能否悬浮起来，取决于电磁轴承的电磁力 的大小，转子上的电磁力是电磁铁线圈电流与转子 位移的非线性函数关系，即：
Fx
0 AN 2 I 0 I
油润滑，而润滑油通过动静间隙的泄漏，很容易进 到深冷系统， 这将会导致深冷系统的换热效果变差， 如系统中有冷箱，也会导致冷箱因润滑油的凝固而 堵塞通道，影响系统的安全运行。 另外由于旋转机械的特点， 为了提高机械效率， 各部的间隙被控制在一个合理的范围内，间隙大了 效率就要降低，间隙小了很容易发生摩擦。 从技术性能角度， 电磁轴承应该具有以下特点： 转速高——最高可达每分钟数十万转； 精度高——具有良好的动态性能。例如：转子 的动态振幅要求控制在较低的范围内且具有自动调 节功能； 可控性好——在一定的范围内，轴承的承载能 力得到良好控制； 适应性强——适应各种极限环境、工况； 安全可靠——满足大型炼化装置五年一修的要 [1] 求 。
图 1 是一个简单的电磁轴承系统示意图，电磁 铁绕组上的电流为 I，当有电流通过时，产生磁场 力，对轴起支撑作用，与转子的重量相平衡，这个 位置也称为参考位置。假设在参考位置上，轴产生 向上的扰动，它就会向上移动，这时位移探头就会 测到这个位移 x，并把这个信号送到信号转换器中， 把位移转换为电信号， 再把这个电信号送到调节器， 再经功率放大器，得到的输出值经功率放大器放大 后，调节各匝线圈的输出电流 I，使转子稳定在平 衡的位置上。 径向电磁轴承的结构（见图 2）一般至少有 4 对电磁场，在水平和垂直位置各有 1 个位移探头， 无论是哪个方向发生位置变化，通过位移信号，调 整输出电流的大小，来保证转子径向位置。 轴向电磁轴承（见图 3）由定子和止推盘组成， 图中左右两个电磁铁通过电流 I+和 I-产生电磁力使 转子在轴向定位，轴向磁轴承其中一个电磁铁的 吸力 F，即： F=0.398×10 (B δ1S 1+B δ1S2) 式中 S1，S2 分别是内磁极面积和外磁极面积 B δ1 为两个气隙的磁感应强度。 由公式可知电磁轴向轴承的磁场力是由线圈匝
电磁轴承从工作原理上相对于传统滑动轴承是 一种颠覆性的突破，这种新型轴承依靠附加的电磁 线圈产生的磁场力将轴悬浮起来，因而实现了真正 的无接触，当然也无需润滑和密封。实际应用中， 它具有的振动低、寿命长、保养简易、维护费用低、 适应性强等特点日益突出。国内外在磁力轴承的研 制和应用已经有了很大的突破，在很多领域得到应 用。 电磁轴承具有较大的承载能力，其发展和应用 的前景很广，是机电仪一体化的新兴技术产品，它 汇集了机械、电子、仪表和计算机信息科学等多门 学科。
摘
要：电磁轴承技术是国际上 20 世纪 60 年代中期开始研究的一项新的支承技术。第一部分简要介绍电
磁轴承的结构、原理、特点，并分析了国内外电磁轴承的发展现状及前景。第二部分,以乙烯装置的甲烷膨胀/ 压缩机为例,阐述了电磁轴承设计选型时的注意事项及其应用。 关 键 词：电磁轴承；发展；制冷系统；应用 中图分类号：TQ 052 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2013）08-1084-04
第 42 卷第 8 期 2013 年 8 月
当 代 化 工 Contemporary Chemical Industry
Vol.42， No.8 August， 2013
电磁轴承的原理与应用
严文彩 1，李宏冰 2 ，周殿莹 2
（1. 中国石油集团 东北炼化工程有限公司，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油天然气股份有限公司 抚顺石化分公司，辽宁 抚顺 113001）
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在实际运行中，无论是在动态或静态情况下， 由于电磁场的存在，都会产生涡流，涡流会使磁阻 增大，磁场力下降。为了降低磁阻，定子采用叠片 结构。同时也要考虑磁滞、磁漏对磁场力的影响。 电磁悬浮轴承的特性 与传统轴承相比，电磁悬浮轴承的优势极其明 显，它具有以下传统轴承不具备的特性。 (1)转速高：在相同的轴颈直径下，电磁轴承设 计的转速是传统轴承的 5 倍。 (2) 摩擦功耗小：电磁轴承没有与轴接触，没 [2] 有摩擦，其功耗仅是传统轴承的 1/20～1/5 。 (3) 寿命长、可靠性高：在电磁轴承相对运动 的表面之间没有任何接触，也就不存在磨损及接触 疲劳带来的寿命短问题。另一方面，与机械零部件 相比，电子元器件的可靠性也相对高，因此电磁悬 浮轴承比传统轴承具有较高的寿命和可靠性。 (4) 无油润滑 ：相对运动的表面间无接触，电 磁轴承不需要润滑，机组减少了庞大的润滑系统， 占地面积相应减少。另一方面，润滑油内漏对系统 污染、冻堵的风险也不复存在。 (5) 适应性强：运行中不必考虑润滑油对温度 的限制要求，因此电磁轴承在高温、低温环境下都 可以良好运行，具有很好的适应性 2.2
2 电磁悬浮轴承的基本原理
2.1 基本原理 电磁轴承是一种有源磁悬浮轴承，也叫主动磁 浮轴承（active magnetic bearing，简称 AMB） ，基本
收稿日期： 2013-06-10 作者简介： 严文彩（1966-） ，男，辽宁抚顺人，工程师，工程硕士，1989 年毕业于天津大学化工机械专业，研究炼化设备的使用、维护与保养： 从事设备技术管理工作。E-mail：dongbeijx@。
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(6) 可控性高：电磁轴承具有所谓的自调节功 能，确保转子稳定在平衡的位置上。运行中，电磁 悬浮轴承可以实现在线监测诊断，其静态及动态运 [1] 行参数都是在线可控的 。 2.3 电磁悬浮轴承的防断电应急保护设施 炼化装置身处不同的地域，各地区电网的稳定 性也千差万别，因此电磁悬浮轴承设计中必须考虑 到防断电应急保护设施。若机组运行中突然断电， 高速旋转的转子瞬间变为自由落体，直接与轴承内 壁底部接触， 发生冲击、 碰撞和摩擦造成轴承损坏。 为避免这种危害发生，通常在转子上安装应急轴承 （见图 4） ， 这样即便发生断电， 在转子下降过程中， 应急轴承起到保护支撑作用，防止电磁轴承与转子 接触磨擦。
Principle and Application of Active Magnetic Bearings
YAN Wen-cai1, LI Hong-bing2, ZHOU Dian-ying2
（1. CNPC Northeast Refining ＆ Chemical Engineering Co.,Ltd., Liaoning Fushun 113001，China； 2. PetroChina Fushun Petrochemical Company, Liaoning Fushun 113001，China） Abstract: The active magnetic bearing is a new supporting technology in the world， and it began to be study in the mid - 1960s.In the paper, the structure，principle，characteristics of active magetic bearings were introduced，and the developing level and tendency of the active magnetic bearing were analyzed. At last, taking methane expansion compressor in the ethylene plant as an example, matters needing attention during design， type selection and application of the active magetic bearing were discussed. Key words: Active magnetic bearings; Development; Refrigeration system; Apply
实验室研究阶段，轴承的刚度、承载能力距离工业 化应用还有较大的差距。
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电磁轴承的应用
在乙烯生产装置，采用顺序分离工艺的前脱丙 烷、前加氢、双塔高压脱丙烷深冷工艺需要低于 -100 ℃的大量冷量。设计中一般采用透平膨胀/压 缩机制冷这种技术，这种技术制冷效果好，制冷效 [3] 率高，装置能耗低 。目前，世界上较大型的膨胀/ 压缩机生产企业有法国的 Cryostar、美国的 Mafi Trench 和 GE 公司以及德国 Man Turbo 公司等等， 这些公司凭借较强的技术实力和研发优势，处于领 先地位，几乎形成了垄断。 我国的空分三大巨头杭氧、开封空分、四川空 分在引进消化国外先进技术的基础上，陆续开发了 一系列的空分制冷膨胀机并在国内炼化装置中得到 应用。 膨胀/压缩机电磁轴承的结构 以乙烯装置的甲烷膨胀/压缩机为例， 说明电磁 轴承的应用及注意事项。 甲烷膨胀/压缩机是乙烯装置的重要设备， 为深 冷系统提供冷量。 膨胀/压缩机的轴系支撑方式分两 种：一种是传统的滑动轴承支撑，采用强制稀油润 滑；另一种是电磁轴承支撑。采用磁力轴承支撑的 膨胀/压缩机组因前文提到的特点，如寿命长、可靠 性高、没有润滑油内漏对系统污染、冻堵的风险等 优点，受到广大乙烯用户的推崇，21 世纪新建的乙 烯装置大多采用磁力轴承支撑的膨胀/压缩机组。 采用电磁轴承支撑的膨胀/压缩机组有以下几 个部分组成：膨胀机、压缩机、电磁轴承总成、密 封气系统、机组防喘振系统和流量调节系统，机组 结构远比传统轴承的机组紧凑、占地面积小。膨胀 机和压缩机通过中间磁力轴承连接，膨胀机、压缩 机进出口方式采取径向、轴向布置，按工艺要求分 为单级机组和二级机组，单级机组及转子部分主要 [4] 结构如图 5 所示 。 膨胀机/压缩机在运转过程中， 膨胀侧的介质会 通过轴的间隙进入轴承室，最低温度达到-140 ℃, [2] 而电磁轴承的工作温度在-20 ℃到 30 ℃ ， 为防止 冷量沿主轴向压缩机方向传导， 通常是引入密封气， 介质采用机组本身的甲烷气。从膨胀机入口引入密 封气，经外部加热设施加热后进入密封腔。另外电 磁轴承在运行中也会产生大量热量，为确保机组的 正常运行， 必须及时带走这部分热量。 实际应用中， 将压缩机出口的冷却气体引至电磁轴承腔体冷却。 4.1