磁悬浮轴承应用及分析

磁悬浮轴承发展及应用

概述 ：

磁浮轴承是利用磁力实现无接触的新型轴承，具有无接触、不需要润滑和密封、振动小、使用寿命长、维护费用低等一系列优良品质，属于高技术领域。轴承是机电工业的基础产业之一，其性能的好坏直接影响到机电产品（如超高速超精密加工机床）的科技含量及其在国际上的竞争力。本项目不仅要可以在国内建立生产磁浮轴承的高技术企业，填补国内在这方面的空白，而且可以带动机电行业的很多相关企业进行产品结构调整，形成新的经济增长点。此外，本项目具有重要的国防应用价值，可为我国研制以磁轴承支承的新一代航空发动机储备先进的科学技术。

磁浮轴承的基本原理

磁浮轴承从原理上可分为两种，一种是主动磁浮轴承（active magnetic bearing），简称AMB；另一种是被动磁浮轴承（passive magnetic bearing），简称PMB。由于前者具有较好的性能，它在工业上得到了越来越广泛的应用。这里介绍的是主动磁浮轴承。

磁浮轴承系统主要由被悬浮物体、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。下图是一个简单的磁浮轴承系统，电磁铁绕组上的电流为I，它对被悬浮物体产生的吸力和被悬浮物体本身的重力mg相平衡，被悬浮物体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，被悬浮物体受到一个向下的扰动，它就会偏离其参考位置向下运动，此时传感器检测出被悬浮物体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，功率放大器使流过电磁绕组上的电流变大，因此，电磁铁的吸力也变大了，从而驱动被悬浮物体返回到原来的平衡位置。如果被悬浮物体受到一个相上的扰动并向上运动，此时控制器和功率放大器使流过电磁场铁绕组上的电流变小，因此，电磁铁的吸力也变小了，被悬浮物体也能返回到原来的平衡位置。因此，不论被悬浮物体受到向上或向下的扰动，下图中的球状被悬浮物体始终能处于稳定的平衡状态。

磁悬浮轴承

（简图）

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。