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。

2.磁悬浮轴承原理

磁悬浮轴承按照磁力提供方式，可分为有源磁悬浮轴承、无源磁悬浮轴承和混合磁悬浮轴承。有源磁悬浮轴承是由电磁铁提供磁力，也称主动磁悬浮轴承。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。当永久磁铁和电磁铁共同提供磁力时得到的轴承称混合磁悬浮轴承。按结构可分为立式、卧式、内转子和外转子型，按作用分为吸引式和排斥式。

图1 磁悬浮轴承原理图

图1位一个有源磁悬浮轴承原理图，由转子、传感器、控制器、放大器和电磁铁组成。设电磁铁绕组上电流为I，它对转子产生的吸力F和转子的重力mg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，就会产生偏离其参考位置的位移，控制器将这一位移变换成控制电流I+i，相对于参考位置，此时的控制电流由I增加到了I+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，转子始终能处于稳定的平衡状态。

3.磁悬浮轴承的研究

被动磁悬浮轴承与主动磁悬浮轴承相比，用永久磁铁产生的磁场取代电磁铁的静态偏置磁场，使系统体积减小，设计简单，在无控制环节的情况下即可稳定，但它不能产生阻尼，即缺少象机械阻尼或象主动轴承那样的附加手段，因此，被动磁悬浮轴承系统的稳定域很小，外界很小的干扰会使它趋于不稳定。

混合磁悬浮轴承，用永久磁铁产生静态偏置磁场，用电磁铁控制轴承在5个自由度的平衡，所以，混合磁悬浮轴承显著降低功率放大器的功耗；而且可以使电磁铁的安匝数减小一半，缩小磁悬浮轴承的体积，提高承载能力等。国内外对混合磁悬浮轴承进行了一定研究。

(1)混合磁悬浮轴承

混合磁悬浮轴承的原理如图2.转子在永久磁铁产生的静磁场吸引力作用下处于悬浮的平衡位置（中间位置）。由于结构的对称性，永久磁铁产生的永磁磁通在转子上方气隙和转子下方气隙处是相等的，即F1=F2。假设在参考位置上转子受到一个向下的外扰，转子就会偏离其参考位置向下运动，由于转子上下气隙的间隙变化，使得其磁通变化，即上间隙增大，磁通减少，；下问隙减小，磁通增大。

由于上间隙的磁通小雨下间隙的，故F1

(2)动力磁悬浮轴承

动力磁悬浮轴承(P—MB)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，而且还产生驱动转子的扭矩，是电动机和轴承二种功能为一体的机械零件。采用P—MB的电机(或主轴系统)具有如下特点；

① 由于P—MB具有电机功能，在相同转速和相同输出的情况下，P—MB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。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—MB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—MB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，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。

P—MB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。 (3)磁悬浮轴承的主动控制

① 磁悬浮轴承的数字控制：数字控制具有硬件集成度高、控制性能好的优点，因此正逐步替代传统的模拟控制器而成为当代磁轴承控制的发展主流。早期 实现磁轴承数字控制的硬件是普通计算机，后来逐渐被专用处理器所替代 目前应用最普遍的是数字信号处理器(DPS)，这种配备高速数据采集及多指令处 理功能的处理器将高速运算能力与微机操作系统结合在一起，运算速度远高于普通计算机，还可以采用多处理器结构以提高系统的容错能力。配备了数字控制 系统的磁轴承能够方便地实现多种功能，如适应不同的运行条件，抑制不平衡响应，启动和停机时的过程控制以及滤波、诊断和监控等。

② 柔性转子一磁轴承系统的主动控制：利用磁轴承刚度、阻尼特性可调的特点来优化系统的动特性是转子主动控制的研究热点。Petela和Botros研究了磁 轴承的不同控制方法对抑制多圆盘转子系统谐振的影响，所采用抑制谐振的主要方法是增加磁轴承的阻尼，但PID控制对转子系统谐振频率以外其他频带的 不平衡响应抑制能力较差。为此，Suzuki等人将PID控制与一种可变增益的开环控制方法相结合。前者用来保证磁轴承系统的稳定和抑制转子谐振，后者可根 据速变化来调整磁轴承控制器增益，从而能在较宽的频带内降低振动量。 ③ 主动控制方法研究：主动控制方法归纳起来有平衡控制方法、最优控制方法、智能控制方法、鲁棒控制方法等。 (4)无传感器磁悬浮轴承的研究

为测量气隙变化，磁轴承系统需要配备多个非接触式传感器及相应的前置放大器，因而系统的硬件成本很高。此外，传感器与电磁动作器之问的非并置问 题也会在一定程度上影响控制效果。为克服以上缺点，近年来许多学者正致力于研究一种新型的“无传感器” 磁轴承(Sensorless magnetic bearing)，它不需要位置传感器，而是通过测量电气回路内部信号来间接地获取转子的位置信息。 (5)新材料的研究

新材料的研究成功无疑将使磁悬浮轴承突破离心力、磁饱和、磁滞等特性的限制。如近年来发展起来的一种用粉末制成的铁磁材料，能够使涡流损耗大大 降低。还有一些新型材料具有很高的饱和磁密和机械强度，线速度可以达到300m／s，特别适用于高速转子。此外，近年来得到迅速发展的稀土永磁材料也因 为结构轻巧、能耗低而极具应用前途。有专家因此而预言，未来磁轴承的发展趋

搜索“diyifanwen.net”或“第一范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，第一范文网，提供最新高中教育磁悬浮轴承研究及其新发展 全文阅读和word下载服务。