磁悬浮轴承稳定性分析

磁悬浮轴承稳定性分析

磁悬浮轴承（Magnetic Bearing）是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。与传统的滚珠轴承，滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子的转速可以运行到很高，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，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境。这项技术是20世纪60年代中期在国际上开始研究的一项新的支撑技术。在各个领域都有着广泛的应用。本文主要分析磁悬浮轴承的稳定性问题。文章的第一部分介绍了磁悬浮轴承在国际和国内的发展与研究现状，并分析了磁悬浮轴承的一些特点。文章的第二部分对磁悬浮轴承的稳定性进行了讨论，先论证了永磁轴承无法实现自稳定，然后对电磁轴承的稳定性进行了分析。

关键词：磁悬浮，轴承，电磁轴承，永磁轴承，稳定性

第一章引言

第一节磁悬浮轴承的研究背景

国际上很早就有了利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想, 但其实现却经历了很长的一段时间。1842 年, Earnshow 证明: 单靠永磁体不能将一个铁磁体在所有 6 个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态.真正意义上的磁悬浮研究开始于20世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究，1937 年, Kenper 申请了第一个磁悬浮技术专利, 他认为，要使铁磁体实现稳定的磁悬浮, 必须根据物体的悬浮状态不断的调节磁场力的大小,因此必须采用可控电磁铁,这也是以后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。

随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展, 20世纪 60 年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。日本、英国、德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。资料记载: 1969 年, 法国军部科研实验室(LRBA ) 开始对磁悬浮轴承的研究; 1972 年,第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上, 从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。此后, 磁悬浮轴承很快被应用到了国防、航天等各个领域。1983年11月，美国在搭载在航天飞机上的欧洲空间试验仓里采用了磁悬浮轴承真空

泵; 同年，日本将磁悬浮轴承列为 80 年代新的加工技术之一, 1984 年, S2M 公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本电磁轴承公司, 在日本生产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等。经过 30 多年的发展, 磁悬浮轴承在国外的应用场合进一步扩大, 从应用角度看,在高速旋转和相关高精度的应用场合磁悬浮轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究的主流。

我国的磁悬浮轴承发展现在还与国外有一定的差距。在改革开放以前，我国并没有太多的对外交流，技术领域同样如此。从上世纪90年代至今，我国的一些高等院校，如清华大学，南京航空航天大学，西安交通大学等十几所院校逐步开展了磁悬浮轴承的相关研究，虽然取得了部分成果，但进展缓慢，仍处于实验室研究阶段，在轴承的刚度、承载能力等方面距离工业化应用还有很大的差距。

第二节磁悬浮轴承的应用前景

磁悬浮轴承作为一种典型的机电一体化产品，其研究涉及到了各个领域，包括机械学、电磁学、转子动力学、控制理论以及传感理论和计算机科学等多个学科。因此，磁悬浮轴承的应用前景也将十分广泛。随着控制理论，电子元件集成化以及转子动力学等的发展，近年来磁悬浮轴承的研究在国内和国外都取得了长足的进步。目前，磁悬浮轴承作为一个独立的功能部件，更多的应用在了具有高附加值的产品当中，此类产品一般都有着高精度、高速度、低速重载、自动化、真空洁静环境等特点。如：数控机床、高速铣床、高精度磨床、机器人、真空泵、电机、涡轮机、大型水轮发电机、航空发动机、卫星导航系统、人工心脏泵、污水处理装置等。

此外，磁悬浮轴承应用于工业设备中时，其成本过高的问题一直存在，这个问题也一直影响着磁悬浮轴承的推广及应用。因此，磁悬浮轴承的研究方向上将会加强其实用性的方面的研究，同时也将加快磁悬浮轴承产品化和标准化的步伐。

目前，磁悬浮系统在自传感技术、容错控制、可靠性等方面上的研究，仍然是国际上的研究热点。国外磁悬浮产品也已经面世很久，我国在数控机床的高速精密电主轴、磁悬浮飞轮电池、磁悬浮人工心脏泵、磁悬浮火车、卫星、远程导弹的制导与姿态控制、军事通讯用的UPS、航空发动机的高速转子、潜艇的振动控制与传动噪音、坦克、装甲车的动力储能等方面与国外有一定差距，研究还需要深入进行。

相信经过更加深入的探索和研究，磁悬浮轴承的特点和优势将会被进一步挖掘，也将有着更好的发展前景。

第三节磁悬浮轴承的特点

磁悬浮轴承是一种高科技的机电一体化产品，它既包括电磁轴承也包括永磁轴承，由于其独特的优点，使其在各个领域都有着广阔的应用前景，如航空航天、真空技术、涡轮机械等。相较于传统的机械轴承，其优点如下：

1、回转速度高。磁悬浮轴承的转速只受到转子铁磁材料离心力的限制，因此磁悬浮轴承有着较高的回转速度，最大线速度可达到200m/s.同时，由于磁悬浮轴承转速的提高不受到磁轴承尺寸的限制，因此可以大大增加磁悬浮轴承主轴的惯性刚度。

2、无磨损，功耗低。磁悬浮轴承的功耗仅为普通机械轴承的1/15-1/20，因此可以显著地延长磁悬浮轴承的使用寿命，降低维护费用。

3、不需要润滑和密封系统，适用于多种多样的工作环境，并且对环境温度也不敏感。磁悬浮轴承的适用温度区间较广，为-250~450℃。

4、具有较高的刚度。磁悬浮轴承的径向静刚度可以达到600MN/m，动刚度可达100MN/m；轴向静刚度可以达到2000MN/m，动刚度可达100MN/m，承受荷载可达100KN。

5、具有较高的回转精度。磁悬浮轴承可通过控制系统对机器的各个状态进行实时监控，可以达到较高的精度。

6、具有自动平衡的特性。磁悬浮轴承可使转子绕其自身的惯性轴旋转，消除不平衡力，大大降低机身的振动。

第四节本文主要内容

本文主要对磁悬浮轴承的稳定性进行分析。分析包括永磁轴承和电磁轴承两个方面。在永磁轴承上通过分析永磁轴承的轴向劲度和径向劲度不能同时为正得出永磁轴承不能实现自稳定的结论，因此需要通过其他系统和手段来满足整个系统动力稳定性需求。在电磁轴承上，当转子偏离预定中心时，对转子进行受力分析，然后对转子的运动稳定性进行分析，得出电磁轴承稳定运转的条件以及有利于电磁轴承运转的一些因素。希望能够对研究人员进行研究时提供一定的帮助。

第二章磁悬浮轴承的稳定性分析

磁悬浮轴承的稳定性问题可分为永磁轴承的稳定性和电磁轴承的稳定性两类，其中，文中分析了永磁轴承无法实现自稳定的原因，同时对电磁轴承的稳定