动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术
动力磁悬浮轴承控制系统研究的开题报告
动力磁悬浮轴承控制系统研究的开题报告一、研究背景和意义：磁悬浮轴承（Magnetic Levitation Bearing）是一种利用电磁感应原理来实现无接触支承的轴承系统，具有启动快速、运转平稳、振动小、无污染等优点。
是现代高速机械运动控制领域中的重要组成部分。
动力磁悬浮轴承是一种利用电磁悬浮力产生升力的轴承，可用于实现旋转部件的精准转动控制。
在高速、大负载领域，相比传统机械轴承，动力磁悬浮轴承具有更高的可靠性和更长的寿命。
然而，在实现磁悬浮轴承运行控制时，由于其结构复杂、参数难以确定等困难，如何保证轴承系统的可靠性和稳定性是一个重要的研究课题。
因此，本课题将对动力磁悬浮轴承控制系统进行深入研究，为其可靠控制提供理论和技术支持。
二、研究目标：本课题旨在研究和设计一种基于控制理论的动力磁悬浮轴承轴向控制系统，在轴承系统的稳定性、平稳性、精度等方面进行优化，以实现对轴承系统的高效稳定控制，为其在实际应用中提供可靠的保障。
三、研究内容：本课题将主要研究以下内容：1.动力磁悬浮轴承的工作原理和基本结构特点。
2.建立基于电磁感应原理的动力磁悬浮轴承的数学模型，分析并优化其中的参数。
3.设计基于控制理论的动力磁悬浮轴承轴向控制系统，包括动力磁悬浮轴承控制器、信号采集设备、信号处理系统和控制算法等。
4.利用模拟仿真方法验证控制系统的可行性与有效性。
5.进行实际的试验研究，测试动力磁悬浮轴承的稳定性、平稳性和精确性能。
四、研究方法：本研究将采用理论分析、数学建模、仿真模拟、试验验证等多种方法相结合的方法，以探究动力磁悬浮轴承轴向控制系统的可行性和有效性。
五、预期成果：通过对动力磁悬浮轴承轴向控制系统的研究，本课题预期可以取得如下的成果：1.深入研究和掌握动力磁悬浮轴承和控制理论相关知识。
2.建立基于电磁感应原理的动力磁悬浮轴承的数学模型，并进行相关分析和优化。
3.设计动力磁悬浮轴承轴向控制系统，提高轴承的稳定性、平稳性和精确性能。
磁悬浮轴承的技术进展及发展趋势
磁悬浮轴承的开展现状及应用研究一、磁悬浮技术概述磁悬浮，亦作磁浮，是运用磁铁“同性相斥，异性相吸〞的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮〞，从而使物件不受引力束缚自由浮动，具有无接触、无摩擦、低能耗、低噪声、无需润滑、维护费用低、使用寿命长、高精度以及自动化程度高等优点。
磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学等为一体的机电一体化综合性较强的高新技术，其研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。
1966年，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统，此后，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等兴旺国家为提高交通运输能力以适应经济开展需要加快筹划磁悬浮运输系统的开发。
随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的开展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的开展。
至2021年世界上已有三种类型的磁悬浮，一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。
第三种是中国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。
磁悬浮技术应用围及其广泛，涉及工业、民用及军事各个领域，磁悬浮产品涵盖高速精细电主轴、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、磁悬浮冶炼、搬运技术等。
当前，国外对磁悬浮技术的研究热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车，而应用最广泛的是磁悬浮轴承。
二、磁悬浮轴承及其类型磁悬浮轴承也称电磁轴承或磁力轴承，是利用磁场力将轴承无机械摩擦、无润滑的、悬浮在空间的一种新型高性能轴承，其作为一种新颖的支撑部件,是继油润滑、气润滑之后轴承行业的又一次革命性变化, 被誉为21世纪最有开展前景的高新技术之一。
磁悬浮轴承的性能分析与实验研究
磁悬浮轴承的性能分析与实验研究磁悬浮轴承是一种利用磁力将旋转机械设备浮起并保持稳定运行的轴承系统。
相较于传统的机械轴承，磁悬浮轴承具有更低的摩擦和磨损、更高的转速、更小的振动和噪音、以及更高的可靠性和寿命。
因此，磁悬浮轴承在航空、能源、高速列车等领域具有广泛的应用前景。
磁悬浮轴承的性能分析是研究和开发磁悬浮轴承技术的重要环节。
为了提高磁悬浮轴承的性能，研究人员需要详细分析其各项参数的影响以及相互之间的关系。
这包括磁力的大小和方向、悬浮稳定性、动力性能等。
通过对磁悬浮轴承的性能分析，可以优化设计、改进控制策略，使其更好地适应实际工作需要。
要进行磁悬浮轴承性能分析，首先需要建立数学模型。
这个模型将考虑轴承的工作原理、磁力场分布、力学特性等因素，以便对磁悬浮轴承的性能进行定量描述。
然后，通过仿真软件或实验装置对模型进行测试和验证。
模型测试的结果将显示磁悬浮轴承的性能指标，如轴向力、径向力、刚度、阻尼等。
进一步分析这些指标的变化规律，可以得到磁悬浮轴承在不同工况下的工作性能。
在性能分析的基础上，磁悬浮轴承的实验研究也是不可或缺的。
通过实验可以验证模型的准确性，并获取更真实的性能数据。
例如，在振动控制方面，可以通过实验来确定合适的振动传感器和控制器，以实现对磁悬浮轴承的精确控制。
同时，实验也可以测试磁悬浮轴承的寿命和可靠性，以及与其他部件的兼容性等。
磁悬浮轴承的性能分析与实验研究不仅仅是一种技术研发工作，更是一种科学探索。
例如，研究人员可以通过对磁悬浮轴承材料的物理性质和结构的研究，探索新的材料和制造工艺，以提高磁悬浮轴承的性能。
此外，还可以通过对磁悬浮轴承的动力学特性的研究，解决轴承在高速运动时的失稳问题，以实现更高的转速和更好的稳定性。
总之，磁悬浮轴承的性能分析与实验研究对于磁悬浮轴承技术的发展和应用至关重要。
通过准确分析各项参数和模型的验证，可以优化设计和控制策略，提高磁悬浮轴承的性能。
同时，通过实验研究，可以验证模型的准确性，获取更真实的性能数据，并解决实际工程应用中的问题。
动力磁悬浮轴承的特点及关键技术
3江苏省教育厅资助项目(00K JB460009)收稿日期:2002-5-3动力磁悬浮轴承的特点及关键技术3扬州大学(225009) 李益民 陈 芳 曾 励摘要: 基于普通的径向磁悬浮轴承,提出了一种新型的机电一体化零件———具有电机机能的动力磁悬浮轴承,分析其小形、超高速、大扭矩的应用特点和工作原理,并指出了动力磁悬浮轴承理论研究的关键技术。
关键词 动力磁悬浮轴承 旋转偏磁磁通 旋转控制磁通 旋转机械 无轴承电机The Development and The K ey T echnology of the Pow er Magnetic B earingLi Yi -ming Chen F ang Z eng LiAbstract :Based on the principle of radial magnetic bearing ,the paper presented a new type machatronics part the power magnetic bearing (P -MB )with mortor ’s function.And discussed its minitype 、ultra high speed and big torque characteristics ,talked about its development and the principle.The key technology of the P-MB was deliverd in addtion.K ey Words :power magnetic bearing ;rotary bias magnetic flux ;rotary control flux ;rotary machinery ;bearingless motor1 动力磁悬浮轴承的提出及特点 任何旋转机械均少不了支承转子的轴承和驱动其转动的电机。
磁悬浮轴承研究及其新发展
论文名称: 磁悬浮轴承研究及其新发展一．引言磁悬浮轴承的概念在100多年前就已经提出，由于磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、高速度、高精准、不需要润滑和密封等一系列优良品质，所以国际上对磁悬浮轴承的研究工作十分活跃。
我国自60年代开始研究磁悬浮轴承，但由于种种条件的限制，多数产品目前仍处于实验室阶段。
磁悬浮轴承具有广泛的应用前景，除了在机床领域有广泛的运用外（如高速磨床等设备），在动力领域如离心压缩机、分子涡旋泵、汽轮发动机等大型设备上也会广泛应用。
在航空航天领域，美国德雷柏实验室在60年代首先在空间制导和惯性轮上成功地使用磁悬浮轴承。
其后，法国在SPOT地球观测卫星中安装了姿态控制用的磁悬浮飞轮。
1986年6月，日本在H-1型火箭上进行了磁悬浮飞轮的空间试验。
最近几年，美国对磁悬浮轴承在先进发动机上应用的可行性作了系统的分析研究，研究的结果表明：使用磁悬浮轴承可以将发动机的重量减轻16%并提高5%的效率。
1994年，美国惠普公司在计划研究的XTC-65发动机的核心机使用了磁悬浮轴承，其验证机已通过了100小时的试验。
2002年，日本、澳洲研制的超音速8-10M的飞机上，采用磁悬浮轴承对减轻发动机重量，提高速度具有十分重要的作用。
二．正文1.磁悬浮轴承介绍磁悬浮轴承(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。
磁悬浮轴承在高速机械中的应用研究
磁悬浮轴承在高速机械中的应用研究引言随着科学技术的迅速发展，高速机械的应用范围也越来越广泛。
而在高速机械中，轴承的性能直接影响着机械的稳定性、寿命和效能。
传统的机械轴承在高速运转时容易产生摩擦和磨损，这些问题限制了高速机械的进一步发展。
而磁悬浮轴承作为一种新型轴承技术，具有无接触、无磨损和高速运转的优点，因此其在高速机械中的应用研究备受关注。
磁悬浮轴承的工作原理磁悬浮轴承是利用磁力场支撑和定位旋转机械元件的一种轴承。
它通过利用磁力场来产生支撑力，以实现无接触的轴承效果。
磁悬浮轴承通常由两部分组成：被浮动支撑的转子和固定在机座上的定子。
定子上的电磁线圈产生磁场，使转子中的永磁体受到吸引或排斥力，从而实现转子的悬浮。
通过对磁场进行控制，可以实现对转子的径向和轴向稳定性控制，从而实现高速旋转。
磁悬浮轴承的优势磁悬浮轴承相比于传统的机械轴承具有许多优势。
首先，磁悬浮轴承没有接触和磨损，能够降低能量损耗和噪音产生。
其次，磁悬浮轴承能够通过控制磁场实现对转子的稳定性控制，提高机械的精度和可靠性。
此外，磁悬浮轴承还可以实现旋转机械的非接触传动，避免了传统轴承在高速运转时容易产生的振动和共振问题，从而提高了机械的运行效率和寿命。
磁悬浮轴承的应用领域由于其独特的优点，磁悬浮轴承被广泛应用于各种高速机械中。
例如，在磁浮列车中，磁悬浮轴承大大减小了列车与轨道之间的摩擦和磨损，提高了列车的运行速度和安全性。
在风力发电机中，磁悬浮轴承能够实现风轮的高速旋转，提高了发电的效率。
在航天器中，磁悬浮轴承能够提供无接触的结构，降低了航天器的重量和噪音，提高了航天器的可靠性。
此外，磁悬浮轴承还在涡轮机、离心机等高速机械中得到了应用。
磁悬浮轴承的挑战和发展趋势尽管磁悬浮轴承在高速机械中有许多优势，但其在应用研究中也面临一些挑战。
首先，磁悬浮轴承系统的控制和稳定性较为复杂，对控制系统的要求较高。
其次，磁悬浮轴承的制造和维护成本较高，限制了其在一些领域的推广。
磁悬浮轴承在高速列车中的应用研究
磁悬浮轴承在高速列车中的应用研究引言随着现代交通技术的发展，高速列车的出现为人们的出行提供了更加便捷和高效的方式。
作为高速列车的重要组成部分，轴承承担着支持车辆运行和保证安全稳定的重要角色。
磁悬浮轴承，作为一种创新的轴承技术，具有许多优势，因此在高速列车中得到了广泛的应用。
本文旨在研究磁悬浮轴承在高速列车中的应用，以期为进一步提升高速列车运行效率和安全性提供参考。
一、磁悬浮轴承技术概述磁悬浮轴承是一种使用电磁力来支撑和悬浮车辆的轴承系统。
相对于传统的机械轴承，磁悬浮轴承由磁悬浮系统和磁悬浮自控系统组成，具有以下优势：1. 无接触：磁悬浮轴承采用磁力悬浮原理，不需要任何实际物理接触，因此摩擦和磨损减少，大大延长了轴承的使用寿命。
2. 高速：由于无接触，磁悬浮轴承可以实现高速旋转而不受限制，减少了动力损耗和振动，提高了车辆的运行效率和平稳性。
3. 高精度：磁悬浮轴承可以通过调节磁力的大小和方向来实现精确的支撑和悬浮，确保车辆在运行过程中的稳定性和安全性。
二、磁悬浮轴承在高速列车中的应用1. 提高列车速度和运行效率：磁悬浮轴承可以消除传统轴承的摩擦，减少了能量损耗和磨损，从而提高列车的速度和运行效率。
同时，由于磁悬浮轴承具有高速和高精度的特点，可以减少车辆的摇摆和晃动，使乘客在高速行驶时体验更加平稳舒适的乘坐感。
2. 提高车辆安全性：磁悬浮轴承具有较高的支持力和控制精度，可以大大减少列车脱轨的风险。
同时，磁悬浮轴承还可以实时监测轴承和列车运行状态，预测潜在的故障，并采取相应的措施，以确保列车的安全运行。
3. 减少能源消耗和环境污染：由于磁悬浮轴承减少了能量损耗，可以减少列车的能源消耗和排放，从而降低了对环境的污染。
此外，磁悬浮轴承的无接触特性也减少了噪音和振动的产生，提高了列车的运行舒适性和周围环境的质量。
三、磁悬浮轴承在高速列车中的挑战尽管磁悬浮轴承在高速列车中具有许多优势，但仍面临一些挑战。
1. 能源效率和成本：磁悬浮轴承的制造和维护成本相对较高，且对能源的需求较大。
风电轴承的磁悬浮技术应用研究
风电轴承的磁悬浮技术应用研究随着可再生能源的迅猛发展，风电作为其中的重要组成部分，逐渐受到了全球能源市场的关注。
然而，传统的风力发电机存在着机械磨损、能量损失等问题，限制了其进一步发展。
为了解决这些问题，磁悬浮技术作为一种新型的轴承技术被引入到风力发电机中。
本文将重点研究风电轴承的磁悬浮技术的应用。
首先，我们来介绍磁悬浮技术的原理。
磁悬浮技术利用了电磁力的作用，将发电机的转子悬浮在空中，通过磁力实现对转子的支撑和旋转控制。
相比传统的机械轴承，磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、低噪音等优点，能够大幅度提高发电机的效率和可靠性。
在风力发电机中应用磁悬浮技术可以带来多方面的好处。
首先，磁悬浮技术可以大幅度减少机械磨损，降低维护成本。
由于风力发电机需要长期运行且处于高海拔等恶劣环境中，机械磨损是一个严重的问题。
而磁悬浮轴承无接触摩擦，可以有效地解决这个问题。
其次，磁悬浮技术还可以降低能量损失。
由于机械轴承存在摩擦，使得发电机的转速和输出功率有限。
而磁悬浮轴承消除了摩擦，使得转子可以更加自由地旋转，提高能量转换效率。
同时，磁悬浮技术还可以实现轻量化设计，减少材料和工艺成本，提高风力发电机的性能。
风电轴承的磁悬浮技术应用的关键技术是磁力的控制。
磁悬浮轴承需要通过控制磁场的强度和方向来实现对转子的支撑和控制。
最常用的磁悬浮轴承系统是采用主动控制和感应控制相结合的方式。
主动控制是通过电磁线圈产生磁场，控制磁场的强度和方向，实现对转子的支撑和控制。
感应控制是利用感应电流产生磁场，实现对转子的支撑和控制。
这两种控制方式可以相互弥补，提高磁悬浮轴承系统的稳定性和可靠性。
除了磁力的控制外，还需要对磁悬浮轴承系统进行传感和监测。
通过多种传感器和监测系统，可以实时获取悬浮轴承系统的参数和状态，监测系统的工作情况，提前发现故障，并采取相应的措施进行修复。
同时，通过数据分析和模型建立，可以对磁悬浮轴承系统进行优化设计，提高其性能和可靠性。
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动,有力地推动了纳米电磁致动器的发展。
毫无疑问,在某些场合它仍有很大的应用价值。
然而,其位移精度是众多因素(如驱动力和作用时间等)共同作用的结果,任何一个因素的不利变化都会导致位移精度下降。
特别是在大驱动力和变载荷情况下,上述影响就更为显著,成为其进一步发展的严重障碍。
本文介绍的电磁-压电组合式纳米致动器,最大的优点就是成功地将位移精度与驱动力分开处理,使其在大驱动力、变载荷和高稳定性纳米驱动方面具有明显的优势。
初步的研究已揭示出该组合式纳米致动器具有良好的前景,进一步的研究工作正在进行之中。
有理由相信,在不久的将来会有更多更好的纳米组合式致动器出现。
参考文献:[1] 姚健,尤政.21世纪的科技前沿——纳米技术.中国机械工程,1995,6(3):14～16[2] 杨辉,吴明根.现代超精密加工技术,航空精密制造技术,1997,33(1):1～8[3] 江小宁,周兆英,李勇等.微驱动技术.中国仪器仪表,1993(2):10～12,14[4] W AN G W an jun ,L lene Bu sch -V ishn ial .A H ighP recisi on M icropo sitoner Based on M agneto stric 2ti on p rinci p le ,R ev .Sci .In strum ,1992,63(1):249～254[5] Douglas P E Sm ith ,Sco tt A E lrod .M agneticallydriven m icropo siti oners .R ev .Sci .In strum .,1985,56(10):1970～1971[6] D avydov D N ,D eltou r R ,Ho rii N .C ryogen ic Scan 2n ing T unnelingM icro scopeW ith a M agnetic Coarse A pp roach ,R ev .Sci.In strum ,1993,64(11):3153～3156[7] 颜国正,赵国光,余承业.微小型任意行程电磁冲击式纳米级步距驱动装置及其控制技术的研究.仪器仪表学报,1996,17(4):391～396[8] B lackfo rd B L ,Jericho M H .A H amm er -A cti onM icropo siti oner fo r Scann ing P robe M icro scopes .R ev .Sci.In strum ,1997,68(1):133～135(编辑 华 恒)作者简介:杨圣,男,1962年生。
中国科学技术大学(合肥市 230026)九系副教授、博士。
研究方向为精密仪器与精密工程。
获北京市科技进步三等奖1项。
参编教材1部,发表论文20余篇。
刘东伟,男,1978年生。
南京航空航天大学(南京市210016)机电工程学院硕士研究生。
文章编号:1004-132 (2001)11-1319-04动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术曾 励 副教授曾 励 陈 飞 宋爱平 黄民双 摘要:提出一种新型的机电一体化产品——具有电机功能的动力磁悬浮轴承,阐述了它的研究现状和工作原理,分析了它的应用特点,并介绍了动力磁悬浮轴承理论研究的关键技术。
关键词:动力磁悬浮轴承;旋转偏磁磁通;旋转控制磁通;旋转机械;无轴承电机中图分类号:TH 703.3;TM 32 文献标识码:A1 动力磁悬浮轴承的提出及特点实现旋转机械高速、大负荷运转的关键是支承转子的轴承和驱动电机的性能。
采用传统的支承及驱动方式,必须对支承转子及驱动电机的各机械轴承进行油雾或油液润滑,需要有经验和技术的人员进行调整,而且非常麻烦。
这种支承驱动收稿日期:1999—10—26基金项目:江苏省教育基金资助项目(00KJB 460009)方式,轴向尺寸过大,可靠性差,而且由于共振频率低,无法得到高速和超高速的转动。
如果能研制出一种具有电机功能的动力磁悬浮轴承,就可以将旋转机械的驱动电机去掉,由动力磁悬浮轴承支承转子并直接驱动其转动,使结构小型化,并真正实现高速、大负荷运转。
动力磁悬浮轴承(pow er m agnetic bearing ,P -M B )在原理上是以普通的磁悬浮轴承为基础,使其电磁铁提供的磁场不仅要产生支承转子的径向力,而且还要产生驱动转子的扭矩,是集电动机・9131・动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术——曾 励 陈 飞 宋爱平等和轴承2种功能为一体的机械零件(见图1)。
采(a )采用普通磁悬浮轴承的主轴系统(b )采用P -M B 的主轴系统图1 2种支承驱动的电动机(或主轴系统)用P -M B 的电机(或主轴系统)具有如下特点:(1)由于P -M B 具有电机功能,在相同转速和相同输出的情况下,P -M B 电机的外型尺寸只有普通磁悬浮轴承-电机的1 3～1 2,其结构小而紧凑;(2)电机结构越紧凑,即越小型化,越容易实现高速化。
主轴(转子)越长,其共振频率及临界转速越低,就越难实现高速化。
使电机小型化、缩短主轴,可抑制共振现象,实现更高的转速。
在相同输出和相同外型尺寸的情况下,P -M B 电机的转速是组合式普通磁悬浮轴承-电机的2～3倍。
(3)普通磁悬浮轴承-电机仅由一个电机输出扭矩,而利用P -M B 组成旋转机械系统时,多半是采用成对支承驱动。
故在相同外型尺寸、相同转速情况下,它是普通磁悬浮轴承-电机输出的2～3倍,因此可以实现更高的输出。
(4)P -M B 可单个使用,也可成对或多个作为轴承和电机同时使用。
成对使用时除具有小型、高速和大扭矩的特点外,其主轴所受的扭转剪切内应力对称且很小(仅存在转动时引起的切向惯性应力),大大提高了主轴的强度和使用寿命;多个使用时,可以改善主轴的支承情况,还能使输出扭矩成倍增大。
(5)配线少但控制系统复杂。
普通磁悬浮轴承系统需要23根配线,而动力磁悬浮轴承只要13根配线。
2 国内外研究现状动力磁悬浮轴承是具有电机功能的磁悬浮轴承,是笔者根据无轴承电机的支承驱动零件可作为任何旋转机械的支承驱动零件应用而提出的。
动力磁悬浮轴承与电动机一样,具有永磁同步型(PP -M B )、感应型(IP -M B )、磁阻型(R P -M B )等,是应用机、电、磁等综合技术,通过磁场力将转子和轴承分开,实现无接触驱动转子转动的新型动力支承组件,属于现代高科技领域。
无轴承电机最早见于文献[1],但它的实现却是最近几年的事情。
这种轴承是基于组合式的普通磁悬浮轴承-电机(见图1a )发展而来的。
普通磁悬浮轴承-电机是将传统电机中的机械轴承用普通磁悬浮轴承替换的。
其电机零件只是产生扭矩,电机两侧的普通磁悬浮轴承承受稳定支承转子的轴承力。
这种电机的转子轴上套有2个径向磁悬浮轴承转子、1个轴向磁悬浮轴承转子和1个电机转子等,因此其轴向尺寸较长。
转子轴越长越容易产生弯曲变形,其共振频率及临界转速也越低,这样,电机的转速就受到一定的限制。
为了降低轴向尺寸、提高转速及输出功率,近年来,苏黎世的瑞士技术联合学会及日本的几所大学基于普通径向磁悬浮轴承研制出了图1b 所示的无轴承电机(bearingless m o to rs )[1～4]。
无轴承电机是将组合式普通磁悬浮轴承-电机的主动电机零件去掉,将2个支承转子的普通径向磁悬浮轴承结合电机的电场驱动技术改制为2个动力磁悬浮轴承的动力驱动装置,这样缩短了电机转子轴,使其转速及输出功率提高1倍以上。
无轴承电机中的动力磁悬浮轴承将支承转子的轴承功能和产生扭矩功能混合已不是新思想。
国外大多数学者提出的方案是以普通的径向磁悬浮轴承包含一个产生扭矩的高极对(至少8极)结构。
自1991年以来,瑞士、日本、美国、德国等国家先后提出和研制了不同类型的动力磁悬浮轴承。
M asah ide 、O kada 等[5,6]提出永磁型的动力磁悬浮轴承,在文献[5]中给出了永磁型动力磁悬浮轴承的设计及数学描述,具体对外置永磁型的永磁体厚度进行了优化,并提出了一种具有强磁悬浮力和容易控制的内置永磁型的动力磁悬浮轴承。
还测量比较了外置永磁型、感应型、内置永磁型3种类型动力磁悬浮轴承转子所受的悬浮力。
感应型鼠笼式转子产生的悬浮力最强,内置永磁型转子产生的悬浮力较小,但比外置永磁型产生的力大得多。
Ch ikara 等[7～9]提出了磁阻型的动力磁悬浮轴承,文献[9]中提出了开关型动力磁悬浮轴承,M o ri 、Satoh 等[8]在同步磁阻动力磁悬浮轴承中提出包括电枢反应及磁饱和引起的常数变化的控制结构。
E ich i Ito 等[10,11]提出了感应型的动力磁悬浮轴承。
O kada 、D eji m a 和O h ish i・0231・中国机械工程第12卷第11期2001年11月在1995年、O kada 等在1997年提出了控制径向磁气隙的永磁同步型和感应型动力磁悬浮轴承。
动力磁悬浮轴承除用于组合设计成仅用于驱动旋转机械转动的无轴承电机外,还可用于其它各种旋转机械支承并驱动其转子转动。
文献[12]已经证实了动力磁悬浮轴承在核领域、军事及空间技术方面的应用;日本的Sato sh iU eno 、瑞士的R eto Schob 等研制出了用于人造心脏的血液泵,该类血液泵由动力磁悬浮轴承直接支承叶轮并驱动其转动;瑞士的T hom as Gem pp 等研制的化工用动力磁悬浮轴承支承驱动的罐装泵,杜绝了传统罐装泵机械密封故障,以及油润滑对化工产品的污染;Ro to Schob 等根据动力磁悬浮轴承特点将其用于生物反应器的泡沫床反应堆上,这是一种结构简单紧凑且成本低的有效方案。
动力磁悬浮轴承在日本、瑞士、德国等广泛用于机床主轴系统。
采用P -M B 支承驱动的主轴系统,可以使机床向超高速、超精密方向发展。
对于超高精密加工的主轴系统,主轴前端的刀具切削工件时,要产生很大的径向力,故除要求其主轴转速高、输出功率(扭矩)大外,还应满足高刚度等条件。
采用动力磁悬浮轴承支承驱动主轴,与用组合式磁悬浮-电机驱动主轴相比较,动力磁悬浮轴承可以大大缩短主轴的长度,使其刚度得以大大提高。
开展对P -M B 的研究,对机床乃至任何旋转机械的制造水平,以及改变传统的旋转机械的支承和驱动形式都具有积极意义,并能带来显著的社会经济效益。
P -MB 是追踪国际高科技前沿领域的产品,除用于主轴系统外,还可以用于其它任何旋转机械的支承和驱动,如电机、机床、风机、泵、压缩机等通用机械设备,以及军事、空间、核工业、能源、化工、交通等各领域的特殊旋转机械,故具有广泛的应用前景和重要的科学意义。
在国内只有几所高校和科研机构在从事普通磁悬浮轴承的研究,由于动力磁悬浮轴承(或无轴承电机)的研究在国外也起步不久,因此有关的研究工作(或成果)还未见文献报道。