磁軸承系統(tǒng)

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。控制器的性能基本上決定了整個磁懸浮軸承系統(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)難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制;(三)不能同時實現(xiàn)兩個及兩個以上自由度的控制;(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)性能差不能不說是其原因之一，因此，數(shù)字化方向是磁軸承的發(fā)展趨勢。同時，要實現(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，必須實現(xiàn)控制器數(shù)字化。近三十年來控制理論得到飛速發(fā)展并取得了廣泛應(yīng)用。

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簡稱AMB),也稱為主動磁軸承,磁場是可控的,通過檢測被懸浮轉(zhuǎn)子的位置,由控制系統(tǒng)進(jìn)行主動控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮;

(2)無源磁軸承P(assiveMagnetioBearing簡稱PMB),也稱為被動磁軸承,以永磁體或超導(dǎo)體實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子部分自由度的支承;

(3)混合磁軸承(永磁偏置)(H沙ridMa,etieBearing簡稱HMB),其機械結(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現(xiàn)轉(zhuǎn)子的無接觸懸浮,如果電磁鐵中通過的是恒定勵磁電流,則轉(zhuǎn)子屬于不穩(wěn)定系統(tǒng),微小的擾動就能使轉(zhuǎn)子偏離平衡位置而無法復(fù)原,因此,必須對磁軸承施加主動控制才能使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作。

主動磁懸浮軸承(Active Magnetic Bearing),是一種應(yīng)用轉(zhuǎn)子動力學(xué)、機械學(xué)、電工電子學(xué)、控制工程、磁性材料、測試技術(shù)、數(shù)字信號處理等綜合技術(shù),通過受控磁場力將轉(zhuǎn)子和軸承分開,實現(xiàn)無機械接觸的新型高性能軸承。

由于不存在機械接觸,磁軸承具有無摩擦、無磨損、無需潤滑的特點,轉(zhuǎn)子可以高速旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速只受轉(zhuǎn)子材料強度的限制,功耗和噪聲極低,能適用于多種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。磁軸承的另一個突出優(yōu)點是轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)可以由控制系統(tǒng)實時檢測,可以在線評估不平衡大小并能對不平衡進(jìn)行主動控制,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,使它在很多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)與傳統(tǒng)滾動軸承、油膜軸承以及氣體軸承相比具有明顯的優(yōu)越性。

我國對磁軸承的研究始于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年致力于此項研究，趙教授介紹說，磁軸承屬機電一體化產(chǎn)品，是控制理論、電子電力、電磁學(xué)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)及計算機科學(xué)等學(xué)科交叉的結(jié)晶，進(jìn)行這項研究，有很強的學(xué)科意義。同時，磁軸承具有的高速、高精度、長壽命等突出優(yōu)點，將逐漸帶領(lǐng)機電行業(yè)走向一個沒有摩擦、沒有損耗、沒有限速的嶄新境界。

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。趙鴻賓教授所在機電與控制實驗室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)圓磨削實驗;今年實現(xiàn)了數(shù)控高速磁轉(zhuǎn)速每分鐘近5萬轉(zhuǎn)軸承，回轉(zhuǎn)精度1μm，這些成績均屬國內(nèi)首創(chuàng)。

與國外磁軸承相比，我們在水平上還存在著一定差距，但國外磁軸承的價格十分昂貴，而且出于技術(shù)上保密的原因，國外磁軸承公司不對中國進(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，其市場潛力也是非常巨大的。

利用電場力、磁場力使軸懸浮的滑動軸承。用電場力懸浮的為靜電軸承，用磁場力懸浮的為磁力軸承(見圖)，用電場力和磁場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應(yīng)調(diào)諧，其剛度比前兩者要高得多，而最大力所對應(yīng)的位移卻很小。電磁軸承因軸與軸承無直接接觸，不需潤滑，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)2300萬轉(zhuǎn)/分,線速度高達(dá)3倍音速),使用壽命長,結(jié)構(gòu)可多樣化。靜電軸承需要很大的電場強度,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、水輪發(fā)電機、空間飛行器的角動量飛輪、流量計、密度計、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)用正日益擴大。

電場力與電場強度、電位移和電極面積成正比，磁場力與磁場強度、磁感應(yīng)強度和磁極面積成正比。適當(dāng)選擇電場或磁場參數(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，在靜電場或靜磁場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。

電磁軸承因軸與軸承無直接接觸，不需潤滑，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)2300萬轉(zhuǎn)/分,線速度高達(dá)3倍音速),使用壽命長,結(jié)構(gòu)可多樣化。靜電軸承需要很大的電場強度,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、水輪發(fā)電機、空間飛行器的角動量飛輪、流量計、密度計、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)用正日益擴大。

電場力與電場強度、電位移和電極面積成正比，磁場力與磁場強度、磁感應(yīng)強度和磁極面積成正比。適當(dāng)選擇電場或磁場參數(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，在靜電場或靜磁場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。