磁悬浮轴承

磁悬浮轴承

摘要

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。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。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，转子可以运行到很高的转速，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、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。这项技术并没有得到欧美国家的认可。

目录

1 磁悬浮轴承概述

2 磁悬浮轴承工作原理

1 磁悬浮轴承概述

利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久, 但实现起来并不容易。早在1842 年, Ea rn show 就证明: 单靠永久磁体是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的.然而, 真正意义上的磁悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆

研究开始的。 1937 年, Kenp er 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, 即采用可控电磁铁才能实现,这一思想成为以后开展磁

悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。伴随着现代控制理论和电子技

术的飞跃发展, 本世纪 60 年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新

台阶。英国、日本、德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。磁悬浮

轴承的研究是磁悬浮技术发展并向应用方向转化的一个重要实例。据有

关资料记载: 1969 年, 法国军部科研实验室(L RBA ) 开始

对磁悬浮轴承的研究; 1972 年,将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

应用到国防、航天等各个领域。美国在 1983 年 11 月搭载于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; 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。

2 磁悬浮轴承工作原理

悬浮轴承是一个复杂的机电耦合系统。在早期的研究过程中, 它由机械系统和控

制系统两个子系统组成。计算机技术的发展为实现整个系统的智能化提供了条件, 将计算机加到系统中得到磁悬浮轴承系统。在这个系统中, 利用计算机可以更方便地从外界拾取信号, 并对其进行智能处理, 实现

轴承的稳定运行与控制。机械系统由转子和定子组成 ( 径向轴承图 1 径向轴承结构简图结构如图 1, 推力轴承结构如图 2) , 通常它

们都是由铁磁叠片构成的。转子叠片装在轴

上, 定子叠片上开有槽, 并缠绕着线圈以提供磁力。控制系统指控制转子位置的电气系统,简单的控制系统由传感器、控制器和功率放大器组成( 如图 3) 。传感器: 即检测元件, 是磁悬浮轴承的重要组成部分, 位置传感器用于检测转子的偏移情况, 速度传感器用于检测转子的运动速

度; 控制器: 是个整个磁悬浮轴承的核心, 其性能决定了磁悬浮轴承的

好坏, 其作用是对传感器检测到的位置偏差信号进行适度的运算, 使得

转子有高精度的定位,在外力的干扰作用下能通过迅速而恰当的

电流变化使转子回到基准位置; 功率放大器: 其作用是向电磁铁提供产生电磁力所需的电流。

图 3 轴承控制系统简图

磁悬浮轴承工作的基本原理: 通过位置传感器检测转子的轴偏差信号, 将该信号送入控制器, 通过功率放大器控制电磁铁中的电流, 从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。

磁悬浮轴承可以按磁悬浮方式和结构等多种方法来分类, 有很多类型。按悬浮方式可分为主动式和被动式; 按结构可分为立式、卧式、内转子型和外转子型; 按作用力可分为吸引式和排斥式; 按接触方式可分为完全非接

触型和部分接触型; 按电磁铁类型可分为超导式、交流控制式和直流控制式. 目前, 在磁悬浮轴承研究领域主要以主动的直流控制式磁悬浮轴承为研究对象. 图 4 为主动的直流控制式磁悬浮轴承的工作原理示意图。

需要指出的是: 与主动磁悬浮轴承相比,被动磁悬浮轴承具有系统设计简单, 并在无控制环节的情况下即可稳定. 但是它不能产生阻尼, 亦即缺少像机械阻尼或像主动轴承那样的附加手段, 因此这个系统的稳定域是很小的, 外界干扰的小变化也会使它趋于不稳定。

图 4 主动磁悬浮轴承工作原理示意图

飞轮储能技术已经进入商业化示范应用阶段，中国与国外技术水平差距在十年以上

飞轮储能的工作原理是，首先将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来；当外界需要电的时候，通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载；空闲运转时，要求能量损耗非常小。

（图片由西南交通大学超导技术研究所研究人员提供）

【财新网】（记者于达维30日发自上海）从我们小时候玩过的回力玩具汽车，到如今F1赛车上的动能回收系统，高速旋转飞轮这种既传统又陌生的储能方式，正步入商业化应用的阶段。

7月初，在南非世界杯上大出风头的保定英利集团透露了下一个高投入、高风险和高产出项目——飞轮储能设备，预计年底推出第一批样机，“十二五”期间将生产至少45万台。

当然，一个不容忽视的现实是，即便国际上最先进的飞轮储能设备，其储能时间也仅有十几分钟。英利的此番投入，恐怕不会像世界杯上的广告牌一样，取得立竿见影的效果。

F1赛车场宠儿

所谓飞轮储能技术，是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来。需要能量时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。

早在上个世纪50年代，瑞士欧瑞康公司就开发出飞轮储能巴士。但此后三四十年间，由于高速旋转飞轮驱动、飞轮轴承摩擦等问题都难以解决，飞轮储能技术的发展非常缓慢。