磁軸承

我國(guó)對(duì)磁軸承的研究始于50年代末，后因各種原因進(jìn)展不快，近十年才引起科研單位的足夠重視。清華大學(xué)工程物理系的趙鴻賓教授從1988年致力于此項(xiàng)研究，趙教授介紹說(shuō)，磁軸承屬機(jī)電一體化產(chǎn)品，是控制理論、電子電力、電磁學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科交叉的結(jié)晶，進(jìn)行這項(xiàng)研究，有很強(qiáng)的學(xué)科意義。同時(shí)，磁軸承具有的高速、高精度、長(zhǎng)壽命等突出優(yōu)點(diǎn)，將逐漸帶領(lǐng)機(jī)電行業(yè)走向一個(gè)沒(méi)有摩擦、沒(méi)有損耗、沒(méi)有限速的嶄新境界。

主動(dòng)磁懸浮軸承(Active Magnetic Bearing),是一種應(yīng)用轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電工電子學(xué)、控制工程、磁性材料、測(cè)試技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等綜合技術(shù),通過(guò)受控磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子和軸承分開(kāi),實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械接觸的新型高性能軸承。

由于不存在機(jī)械接觸,磁軸承具有無(wú)摩擦、無(wú)磨損、無(wú)需潤(rùn)滑的特點(diǎn),轉(zhuǎn)子可以高速旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速只受轉(zhuǎn)子材料強(qiáng)度的限制,功耗和噪聲極低,能適用于多種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。磁軸承的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)可以由控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè),可以在線評(píng)估不平衡大小并能對(duì)不平衡進(jìn)行主動(dòng)控制,從而使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的控制達(dá)到很高的精度。磁軸承具有的這些特點(diǎn),使它在很多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)與傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承、油膜軸承以及氣體軸承相比具有明顯的優(yōu)越性。

磁軸承系統(tǒng)是由以下五部分組成:控制器、轉(zhuǎn)子、電磁鐵、傳感器和功率放大器。其中最為關(guān)鍵的部件就是控制器?？刂破鞯男阅芑旧蠜Q定了整個(gè)磁懸浮軸承系統(tǒng)的性能。控制器的控制規(guī)律決定了磁軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及剛度、阻尼和穩(wěn)定性。

控制器又分為兩種:模擬控制器和數(shù)字控制器。雖然國(guó)內(nèi)目前廣泛采用的模擬控制器雖然在一定程度上滿足了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但模擬控制器與數(shù)字控制器相比有以下不足:(一)調(diào)節(jié)不方便;(二)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制;(三)不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)及兩個(gè)以上自由度的控制;(四)互換性差，即不同的磁懸浮軸承必須有相對(duì)應(yīng)的控制器;(五)功耗大、體積大等。

磁軸承要得到廣泛的應(yīng)用，模擬控制器的在線調(diào)節(jié)性能差不能不說(shuō)是其原因之一，因此，數(shù)字化方向是磁軸承的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)磁軸承系統(tǒng)的智能化，顯然模擬控制器是難以滿足這方面的要求。因此從提高磁軸承性能、可靠性、增強(qiáng)控制器的柔性和減小體積、功耗和今后往網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展等角度，必須實(shí)現(xiàn)控制器數(shù)字化。近三十年來(lái)控制理論得到飛速發(fā)展并取得了廣泛應(yīng)用。

利用電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力使軸懸浮的滑動(dòng)軸承。用電場(chǎng)力懸浮的為靜電軸承，用磁場(chǎng)力懸浮的為磁力軸承(見(jiàn)圖)，用電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力共同懸浮的為組合式軸承。后一種軸承既有電極又有磁極，在電路連接上使電容和電感相互對(duì)應(yīng)調(diào)諧，其剛度比前兩者要高得多，而最大力所對(duì)應(yīng)的位移卻很小。電磁軸承因軸與軸承無(wú)直接接觸，不需潤(rùn)滑，能在真空中和很寬的溫度范圍內(nèi)工作，摩擦阻力小，不受速度限制(有的轉(zhuǎn)速高達(dá)2300萬(wàn)轉(zhuǎn)/分,線速度高達(dá)3倍音速),使用壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)可多樣化。靜電軸承需要很大的電場(chǎng)強(qiáng)度,應(yīng)用受到限制，只能在少數(shù)儀表中使用。磁力軸承具有較大的承載能力和剛度，已用于超高速列車、超高速離心機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、空間飛行器的角動(dòng)量飛輪、流量計(jì)、密度計(jì)、功率表、真空泵、精密穩(wěn)流器和陀螺儀等。隨著磁性材料和電子技術(shù)的發(fā)展，電磁軸承的應(yīng)用正日益擴(kuò)大。

電場(chǎng)力與電場(chǎng)強(qiáng)度、電位移和電極面積成正比，磁場(chǎng)力與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁極面積成正比。適當(dāng)選擇電場(chǎng)或磁場(chǎng)參數(shù)和幾何尺寸，可得到一定的軸承承載能力和剛度。靜電吸力或磁引力與物體間距離的平方成反比，根據(jù)安爾休定理，這種靜力學(xué)系統(tǒng)是靜不定的，所以除采用抗磁體或超導(dǎo)體的軸承外，在靜電場(chǎng)或靜磁場(chǎng)下工作的軸承是不穩(wěn)定的。為使電磁軸承能穩(wěn)定工作，必須采用伺服裝置或調(diào)整電路參數(shù)等方法進(jìn)行控制。實(shí)際使用的電磁軸承一般由徑向軸承、推力軸承、伺服控制回路、阻尼器、速度傳感器或位置傳感器等組成。

與國(guó)外磁軸承相比，我們?cè)谒缴线€存在著一定差距，但國(guó)外磁軸承的價(jià)格十分昂貴，而且出于技術(shù)上保密的原因，國(guó)外磁軸承公司不對(duì)中國(guó)進(jìn)行小批量磁軸承的出售。磁軸承能否產(chǎn)業(yè)化，其發(fā)展速度和水平關(guān)系著民族工業(yè)的前途，其市場(chǎng)潛力也是非常巨大的。

按照磁力的提供方式,磁軸承可分為如下三大類:

(1)有源磁軸承(ActiveMagneticBearing簡(jiǎn)稱AMB),也稱為主動(dòng)磁軸承,磁場(chǎng)是可控的,通過(guò)檢測(cè)被懸浮轉(zhuǎn)子的位置,由控制系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮;

(2)無(wú)源磁軸承P(assiveMagnetioBearing簡(jiǎn)稱PMB),也稱為被動(dòng)磁軸承,以永磁體或超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子部分自由度的支承;

(3)混合磁軸承(永磁偏置)(H沙ridMa,etieBearing簡(jiǎn)稱HMB),其機(jī)械結(jié)構(gòu)中包含了電磁鐵和永磁體或超導(dǎo)體。

磁軸承利用電磁鐵和鐵磁材料之間的吸力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的無(wú)接觸懸浮,如果電磁鐵中通過(guò)的是恒定勵(lì)磁電流,則轉(zhuǎn)子屬于不穩(wěn)定系統(tǒng),微小的擾動(dòng)就能使轉(zhuǎn)子偏離平衡位置而無(wú)法復(fù)原,因此,必須對(duì)磁軸承施加主動(dòng)控制才能使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作。

衡量磁軸承質(zhì)量的關(guān)鍵是看它的轉(zhuǎn)速、回旋精度和支承剛度。趙鴻賓教授所在機(jī)電與控制實(shí)驗(yàn)室1994年研制的臥式五自由度磁軸承系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘53200轉(zhuǎn);1997年成功進(jìn)行了內(nèi)圓磨削實(shí)驗(yàn);今年實(shí)現(xiàn)了數(shù)控高速磁轉(zhuǎn)速每分鐘近5萬(wàn)轉(zhuǎn)軸承，回轉(zhuǎn)精度1μm，這些成績(jī)均屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

電磁軸承因軸與軸承無(wú)直接接觸，不需潤(rùn)滑，能在真空中和很寬的溫度范圍內(nèi)工作，摩擦阻力小，不受速度限制(有的轉(zhuǎn)速高達(dá)2300萬(wàn)轉(zhuǎn)/分,線速度高達(dá)3倍音速),使用壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)可多樣化。靜電軸承需要很大的電場(chǎng)強(qiáng)度,應(yīng)用受到限制，只能在少數(shù)儀表中使用。磁力軸承具有較大的承載能力和剛度，已用于超高速列車、超高速離心機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、空間飛行器的角動(dòng)量飛輪、流量計(jì)、密度計(jì)、功率表、真空泵、精密穩(wěn)流器和陀螺儀等。隨著磁性材料和電子技術(shù)的發(fā)展，電磁軸承的應(yīng)用正日益擴(kuò)大。

電場(chǎng)力與電場(chǎng)強(qiáng)度、電位移和電極面積成正比，磁場(chǎng)力與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁極面積成正比。適當(dāng)選擇電場(chǎng)或磁場(chǎng)參數(shù)和幾何尺寸，可得到一定的軸承承載能力和剛度。靜電吸力或磁引力與物體間距離的平方成反比，根據(jù)安爾休定理，這種靜力學(xué)系統(tǒng)是靜不定的，所以除采用抗磁體或超導(dǎo)體的軸承外，在靜電場(chǎng)或靜磁場(chǎng)下工作的軸承是不穩(wěn)定的。為使電磁軸承能穩(wěn)定工作，必須采用伺服裝置或調(diào)整電路參數(shù)等方法進(jìn)行控制。實(shí)際使用的電磁軸承一般由徑向軸承、推力軸承、伺服控制回路、阻尼器、速度傳感器或位置傳感器等組成。