磁力轴承简介(1)

磁力轴承简介

磁力轴承是磁悬浮原理应用在机械工程领域中的一项新的支承技术，其区别于传统的支承方式，具有无摩擦、无磨损、无润滑、运动阻力小、转速高、精度高、功耗低以及寿命长等优点，随着有关研究的不断发展，已有的电磁轴承种类很多，按工作原理可分为三类：主动磁轴承、被动磁轴承、混合磁轴承。

对于磁力轴承的研究，国外早在 18 世纪 40 年代就开展了理论分析，并在 19 世纪中、后期逐步应用于工业领域，随着轴承的性能在不断提高，某些电磁轴承类产品已相当成熟；国内的相关研究虽然一直在升温，但整体上来说依然处于理论研究阶段，离工业应用仍有较大的差距。总体来说，磁力轴承有很好的应用前景，这项技术的研究与应用标志着支承技术的全新革命。

一．磁力轴承的工作原理和基本结构

在工业应用中，由于主动磁轴承明显的优于被动磁轴承，所以在此以主动磁轴承为例进行探讨。

主动磁轴承一般被称为电磁轴承，其集机械学、力学、控制工程、电磁学、电子学和计算机学于一体，其是靠主动电子控制系统，由可控电磁力使转子非接触地“支承”着轴承体，通常由转子、定子（电磁铁）、放大器、位置传感器、控制器和辅助轴承等部分组成（如图1.1）。转子是系统的控制对象，转子和电磁铁要求有良好的磁性和机械性能；控制器是电磁轴承系统的核心，决定电磁轴承的好坏；放大器向电磁铁提供产生电磁力所需的控制电流；位置传感器用来检测转子的偏转量；辅助轴承的功能是在电磁轴承出现故障时支承转子或在轴承过载时承受部分载荷承，避免转子与定子的任何直接接触，防止擦伤。

图 1.1 电磁轴承基本结构

电磁轴承的机械部分一般是由轴向轴承和径向轴承组成（如图 1.2）。轴向轴承由定子和推力盘组成；径向轴承由定子和转子组成。

(a) (b)

图 1.2 (a)径向轴承横截面结构示意图 (b)轴向轴承结构示意图

一个转子要实现完全的悬浮，需要在其五个自由度上施加控制力，即需要两个径向轴承和一个轴向轴承。一个完整的电磁轴承系统通常包括 2 个径向轴承和 1 个轴向轴承及其控制系统；每个径向轴承有 2 个自由度，每个轴向轴承有 1 个自由度，这样一个电磁轴承共有 5 个自由度。根据图1.1 建立坐标系:

图 1.3 电磁轴承自由度

如图 1.3 ，在六个自由度中，x，y ，z ，Ψ , ξ五个自由度由电磁轴承来约束，θ由电机约束。

电磁轴承的工作原理可用单自由度的控制状况来说明。如图 1.3 所示，正常情况下，线圈通电，电磁铁和转子的轴向间隙之间磁通变化产生电磁力，实现转子轴向悬浮，此时转子位于中心平衡位置，电磁铁Ⅰ和电磁铁Ⅱ的电磁力F1 和F2 相等，此时两侧气隙均为x0 ，当外力作用，转子的位置发生偏转（偏转方向如图中所示），气隙宽度变化，使得磁通量变化：电磁铁Ⅰ的磁通Φ1 增大，电磁铁Ⅱ的磁通Φ2 减小，此时F1 > F2 ；位移传感器测出偏转量为x ，经位移信号转换电路后的输出电压为u x ，其与位置参考电压u r 比较后得到的电压为u e ，然后经调节器进行相位和幅值的调节得到输出电压u c ，分别输入给两个功率放大器，功率放大器将信号变为控制电流，该电流流经电磁铁线圈绕组使铁心内产生磁通Φ , 该磁通与Φ1 方向相同，与Φ2 方向相反，故上方气隙的磁通变为Φ - Φ1 ，下方气隙的磁通变为Φ +Φ2 ，当Φ 之(Φ1 - Φ2）2 时，两个电磁铁的电磁力大小为：F2 之F1 ，电磁力产生差值，其称为系统回复力，它使转子回到平衡位置。

图 1.3 单自由度电磁轴承工作原理

二．磁力轴承的主要参数及其作用和对轴承性能的影响

这里依然以电磁轴承为研究对象。电磁轴承的性能主要由设计参数决定，而这些参数组成的技术指标有机械、电气和控制等几部分。这里主要探讨机械方面的技术指标。其主要包括了承载能力、刚度、阻尼、回转精度等。下面主要分析承载力的影响因素以及气隙对轴承性能的影响。

在电磁轴承中，设存储在气隙中的能量为 W ，当气隙中的磁场均匀时，有：

W = BHV

式中，B—气隙磁通密度；

H—气隙磁场；

V—气隙体积；

又V = 2sA （s—气隙宽度；A—气隙横截面积），故

W = BHAs

承载力 f 等于 W 对 s 的偏导，即：

f = = BHA

B

H =

又μ0 μr ( μ0 —真空中磁场常数；μr —相对磁导率，近似为 1），得到：

f =

B 2 A μ 0

由于电磁轴承定子铁芯的磁导率很大,可以忽略铁芯中的磁压降,磁极下的气隙磁通密度可近似

B ~

μ 0 ni 表示为： 2s

1 2

4 μ 0 n A , 所以：

f = μ 0

A (|（ 2n s

i

2

= 41 μ 0 n 2 A s

i 22

, 则

f = k

从上式可以看出 ，承载力与线圈匝数的平方、 电流的平方、磁极横截面积成正比 ，与气隙的平

方成反比。则如图 2.1 所示：

（a ） (b)

图 2.1 (a) s = s 0 （名义气隙） 时力—电流刚度k i ； (b)i x = i 0 时力—位移刚度k x

k = 令

由上图可知：1）电流越大，电流刚度越大；2）气隙愈大，位移刚度越小，且当s < s0 时，位移刚度k x 很大，当s > s0 后，k x 迅速变小。

图 2.2 电磁轴承的差动激磁方式

通常，在轴承磁铁中有两个作用相反的磁铁工作，这种布局使得正向力、负向力都能产生。如图 2.2 所示，在电磁轴承中的两个作用相反的磁铁产生的差动激磁方式下，一个磁铁以偏置电流i0 和控制电流i x 之和激磁，一个以两者之差激磁，f x 则代表了两电磁铁间的作用力差，则有：

f x = f

+

-f

-

= k -

则轴承在任意 x 处的电流刚度为：

k

i

= = 2k +

位移刚度为：