磁悬浮轴承技术

磁悬浮轴承技术
摘要：磁悬浮轴承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，磁悬浮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。

关键词：磁悬浮轴承；发展历史；原理；分类；特点；应用
The technology of Magnetic Bearing
Abstract:Magnetic bearings is to use the magnetic force of the rotor is suspended in the air, the rotor and the stator without mechanical contact. With conventional ball bearings, sliding bearings and oil film bearings, magnetic bearings there is no mechanical contact with the rotor can run to a high speed, with the mechanical wear, low energy consumption, low noise, long life, no lubrication, no oil pollution, etc., especially suitable for high-speed, vacuum, clean and other special environments.
Keywords:Magnetic bearings；History；classification; characteristic; application
1 引言
磁悬浮轴承也称电池轴承或磁力轴承，是
新一代的非接触支撑部件，已广泛地应用于空
间技术、机械加工、机器人等众多领域，其实
物体外形如图1所示。

它利用磁场力将轴杆无
机械摩擦、无润滑的悬浮在空间中，是磁悬浮
原理在动力机械邻域中的一个典型应用案例。

磁悬浮轴承具有传统轴承无法比拟的许多优
越性能，如容许转子达到很高的转速，轴承功
耗小，转子与定子之间可实现无摩擦的相对运
动，维护成本低，寿命长等。

图1：磁悬浮轴承
2 磁悬浮轴承的发展历史
利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来己久,但实现起来并不容易。

早在1842年,Earnshow就证明[1]：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,德国Kenper即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
（1）
磁悬浮,必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小,即采用可控电磁铁才能实现,这一思想成为之后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。

同一时期,美国大学的
Virginia和Beams也对磁悬浮理论进行了研究,他们采用电磁悬浮技术悬浮小球,并通过钢球高速旋转时能承受的离心力来测定试验材料的强度,测量过程中钢球所达到的最高旋转速度为。

在这一转速下,钢球由于离心力的作用而爆裂，他们据此来推算材料的强度极限。

这可能是世界上最早采用磁悬浮技术支撑旋转体的应用实例。

伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展,本世纪60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（LRBA）磁悬浮轴承的研究;1969 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[2-4]。

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。

我国对磁悬浮轴承的研究始于60年代,但由于社会条件和技术水平的限制,我国在这方面的研究比国外先进国家落后近年。

1986 年 ,广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在 FMS 中的应用”这一课题进行了研究。

此后 ,清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学、上海大学等都在进行这方面的研究工作。

目前在工业上得到广泛应用的基本上都是传统的磁悬浮轴承 ( 需要位置传感器的磁悬浮轴承) , 这种轴承需要5个或10个非接触式位置传感器来检测转子的位移。

由于传感器的存在,使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低,而且成本高、可靠性低。

由于结构的限制 ,传感器不能装在磁悬浮轴承的中间,使系统的控制方程相互耦合,控制器设计更为复杂。

此外,由于传感器的价格较高,从而导致磁悬浮轴承的售价很高,大大限制了它在工业上的推广应用。

如何降低磁悬浮轴承的价格,一直是国际上的热点研究课题。

最近几年,结合磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果,诞生了一个全新的研究方向———无传感器的磁悬浮轴承。

即不需要设计专门的位移传感器 ,转子的位移是根据电磁线圈上的电流和电压信号而得到的。

这类磁悬浮轴承在以下几个方面得到了显著的改善和提高:转子的轴向尺寸变小 ,系统的动态性能得到提高;进一步提高了磁悬浮轴承的可靠性;便于设计磁悬浮轴承的控制器;价格会显著下降。

[5]
3 磁悬浮轴承的分类、原理及其特点
3.1 磁悬浮轴承的分类
磁悬浮轴承按照磁力提供方式，可分为有源磁悬浮轴承（由电磁铁提供磁力,也称主动磁轴承）如图2；无源磁悬浮轴承（由永久磁铁提供磁力,也称被动磁悬浮轴承）如图4；混合磁悬浮轴承（由永久磁铁和电磁铁提供磁力）如图3。

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,外界激扰的小变化也会使它趋于不稳定。

被动磁悬浮轴承已被用于陀螺仪表,但在目前只需相对低廉的成本即可实现功能很强的控制的条件下,尽管人们还在对主动磁悬浮轴承进行研究,但从某种意义上说已将其弃之。

（2）
图2：无源磁悬浮轴承图3：混合磁悬浮轴承
图4：无源磁悬浮轴承
3.2 主动磁悬浮轴承的原理
图2所示是一个简单的有源磁悬浮轴承系统。

它由转子、传感器、控制器和执行器四大部分组成,其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。

设电磁铁绕组上电流为I0,它对转子产生的吸力F和转子的重力mg呵相平衡,转子处于悬浮的平衡位置,这个位置也称为参考位置。

假设在参考位置上,转子受到一个向下的扰动,就会偏离其参考位置向下运动,此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移,控制器将这一位移信号变换成控制信号,功率放大器又将该控制信号变换成控制电流I0+i ,相对于参考位置,此时的控制电流I0由增加到I0+i ,因此电磁铁的磁力变大了,从而驱动转子返回到原来的平衡位置。

因此,不论转子受到向上或向下的扰动,转子3始终能处于稳定的平衡状态。

3.3 磁悬浮轴承的特点
磁悬浮轴承的工作特点及可实现控制系统的闭环控制,所以具有传统轴承无法比拟的许多优越性能。

具体表现在：
（1）容许转子达到很高的转速；
（2）轴承功耗小
（3）转子与定子之间可实现无摩擦的相对运动,维护成本低,寿命长
（3）
（4）轴承无需润滑,对环境的污染小,轴承工作工况好；
（5）轴承的动力学参数(如刚度、阻尼等)可以通过调节控制器参数方便地进行调节,
回转精度可以达到μm级或更高,刚度可以根据实际要求来设计；
（6）可以从控制系统直接获得运行信息,便于实现运行状态的监测
（7）可以作为振动阻尼器和振动发生器,通过有意激励转子来测试未知转子的系统性。

磁悬浮支撑的各种优越性使它在真空及超净室技术、机床、透平机械和离心机技术3个领域中得到了应用[6]。

（1）真空及超净室技术：轴承不存在任何机械磨损,因而也不会引起相关的污染,必要时甚至可以将轴承安排在真空容器外面,使磁场力透过容器壁发生作用；
（2）机床：主要优点是在相对高承载能力的条件下能够保持高精度和高转速
（3）透平机械和离心机：优点是能对振动予以控制和阻尼,并获得预定的动态性能,由于没有润滑剂,也就不需要密封,可进一步简化结构
4 磁悬浮轴承的应用举例—磁悬浮空调
4.1 磁悬浮空调的提出
作为一项高技术产品，磁悬浮轴承由于其价格昂贵，过去只被用于航天工程。

从上世纪末开始，磁悬浮技术被研发和创新并逐渐应用于中央空调机组。

1992年，澳大利亚捷丰集团（Multistack）的一位技术人员开始进行无油磁悬浮离心式制冷压缩机的研究。

1993年，Multistack 公司成立了一个TURBOCOR R&D部门，专门研究磁悬浮轴承应用于制冷压缩机。

10年之后，这项研究终于获得了成功，磁悬浮轴承制冷压缩机已经能够应用制冷和空调产品，这项技术并且在2003年的美国Chicago& ASHRAE/AHR展览上获得了Energy&Innovation奖。

4.2 传统制冷压缩机与磁悬浮制冷压缩机的比较
在传统的制冷压缩机中，机械轴承是必需的部件，并且需要有润滑油以及润滑油循环系统来保证机械轴承的工作。

在所有烧毁的压缩机中，实际上有90%是由于润滑的失效而引起的。

而机械轴承不仅产生磨擦损失，润滑油随制冷循环而进入到热交换器中，在传热表面形成的油膜成为热阻，影响换热器的效率，并且过多的润滑油存在于系统中对制冷效率带来很大的影响。

因此，机械轴承在压缩机中是不得不有的东西。

磁悬浮轴承利用磁场，使转子悬浮起来，从而在旋转时不会产生机械接触，不会产生机械磨擦，不再需要机械轴承以及机械轴承所必需的润滑系统。

在制冷压缩机中使用磁悬浮轴承，所有因为润滑油而带来的烦恼就不再存在了。

这种新型的压缩机并且是一种两级压缩机的离心式压缩机。

在各种制冷压缩机中，离心式压缩机通常具有最理想的效率。

新型的压缩机还结合了数字变频控制技术，压缩机的转速可以在15000rpm~48000rpm之间调节，使压缩机的制冷量最低可以工作在20%的负荷。

数字控制技术使压缩机成为世界上第一种数字式压缩机，它甚至可以归类为电器产品。

无摩擦和离心压缩方式使压缩机获得了高达COP=5.6的满负荷效率，而变频控制技术则使压缩机获得了IPLV=0.41kW/ton极其优异的部分负荷效率。

变频控制也使压缩机只要6A的微弱电流就可以启动起来，而传统的相同制冷量的其他压缩机，至少需要500~600A 的启动电流。

4.3 磁悬浮空调的优点及其不足
由于磁悬浮中央空调采用磁悬浮轴承，使得其具有无油、节能、低噪音、长寿命等等方面的优势，恰好解决了传统中央空调产品的弊端，使得磁悬浮中央空调具有充分的市场发展
（4）
前景和空间。

但磁悬浮中央空调也存有一些亟待解决的问题。

比如在项目使用机组台数较多时，需要靠运行的台数来调节负荷，那么此类项目不太适合全部采用磁悬浮产品。

因为这类
项目单台机组都运转在较高的负荷，磁悬浮中央空调部分负荷超高能效的优势无法充分地体现出来。

而在市场上，现阶段磁悬浮中央空调单机容量仍然偏小，对于小型项目的客户群体而言往往仍会非常关注初投资的费用，而对于高端商业地产项目或者政府项目，通常对单机冷量的要求也较大，这也导致了小型磁悬浮中央空调产品在国内市场的发展相对较慢。

4.4 我国的磁悬浮空调现状
2003年以后是磁悬浮中央空调在中国市场发展的第二个十年，
在麦克维尔和海尔等企业的共同努力之下，磁悬浮中央空调产品陆
续在国内树立了一批样板工程。

在这个充满了对中国市场探索的十
年之中，尽管中国磁悬浮中央空调市场的容量仍旧较小，但是置身
其中的企业逐渐明确了发展方向，其中的代表企业仍然是麦克维尔
和海尔。

从2011年下半年开始，海尔已经明确了在冷水机组市场中
主推全系列磁悬浮产品的发展思路，从2006年中国第一台磁悬浮
离心机（图5）在海尔下线开始，此后海尔在磁悬浮技术的应用上
越走越深入。

2009年，海尔研发出第二代磁悬浮离心机组；2010
年底，海尔研发出中国第一台风冷磁悬浮机组；2011年，水源热泵
磁悬浮在海尔问世。

至此，海尔已经给自身的冷水机组产品贴上了图5：海尔磁悬浮
一个独特的标签，即磁悬浮成为海尔中央空调专业化发展道路上的离心机
独特定位。

而作为率先将磁悬浮离心机引入中国市场的企业，当麦克
维尔在中国的第一座全资冷水机组工厂落户武汉经济开发区时，磁悬浮离心机就作为奠基礼物落户麦克维尔武汉工厂。

此后，麦克维尔不仅成为中国磁悬浮中央空调市场推广的先驱，更在大冷量、高效率、低噪音这几个方面持续投入研发力量和资源，据可靠消息，2013年，麦克维尔将正式向中国及亚太地区发布这一研发成果——麦克维尔第二代磁悬浮机组。

[7]
5 结束语
从磁悬浮轴承的原理、特点及组成部分不难看出,它己经不是传统意义上的单个零件,而
是一个复杂的机电耦合系统。

其无摩擦、无需润滑等特点使得磁悬浮轴承具有滚动以及滑动轴承无法比拟的优越性。

但因其控制系统的高精度型使得磁悬浮轴承的造价远高于普通轴承，因此，当今只有风力发电机、大型磁悬浮中央空调、航空航天等方面有所应用。

但随着
科学不断进步，耗费财力的有源磁悬浮轴承将会更加普遍的应用与我们的生活之中，而设计简单、成本相对低廉的被动磁悬浮也肯定会在工业上大放异彩！
参考文献
1.Moon FC. Magneto-soldmechanics. New York: Cornell Univercity, 1984
2.Knospe CR.Introduction to the Special Issue on Magnetie Bearing. IEEE
Trans on Control Systems Technology, 1996,4(5):481~485
3.Brunet M.Practical Applications of Active Magnetic Bearing to the
Industrial World. The First International Symposium on Magnetic Bearings,ETH Zurich, 1988
4.Schweiter G. Applications of Magnetic Bearing. The First International
（5）
Symposium on Magnetic Bearings, ETH Zurich, 1998
5.曾励，黄民双，刘正埙，王晓青。

磁悬浮轴承的原理及现状。

机械工艺师。

1999.5
6.施韦策 G,布鲁勒 H,特拉克斯勒 A 著。

主动磁轴承基础、性能及应用。

虞烈、
袁崇军译。

北京：新时代出版社，1997
7. 新浪新闻磁悬浮中央空调改变世界的机器
(6)。