1、基于磁懸浮軸承的研究讀書報告磁懸浮軸承(Magnetic Bearing) 是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機械接觸。其原理是磁感應線與磁浮線成垂直，軸芯與磁浮線是平行的，所以轉(zhuǎn)子的重量就固定在運轉(zhuǎn)的軌道上，利用幾乎是無負載的軸芯往反磁浮線方向頂撐，形成整個轉(zhuǎn)子懸空，在固定運轉(zhuǎn)軌道上。與傳統(tǒng)的滾珠軸承、滑動軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機械接觸，轉(zhuǎn)子可以運行到很高的轉(zhuǎn)速，具有機械磨損小、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優(yōu)點，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境中。磁懸浮事實上只是一種輔助功能，并非是獨立的軸承形式，具體應用還得配合其它的軸承形式，例如磁懸浮+滾珠軸承

2、、磁懸浮+含油軸承、磁懸浮+汽化軸承等等。這項技術(shù)并沒有得到歐美國家的認可。1、 磁懸浮軸承的概述利用磁力使物體處于無接觸懸浮狀態(tài)的設(shè)想由來已久, 但實現(xiàn)起來并不易。 早在1842 年, Ea rn show 就證明: 單靠永久磁體是不能將一個鐵磁體在所有 6個自由度上都保持在自由穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)的.然而, 真正意義上的磁懸浮研究是從本世紀初的利用電磁相吸原理的懸浮車輛研究開始的。1937 年, Kenp er 申請了第一個磁懸浮技術(shù)專利, 他認為要使鐵磁體實現(xiàn)穩(wěn)定的磁懸浮, 必須根據(jù)物體的懸浮狀態(tài)不斷的調(diào)節(jié)磁場力的大小, 即采用可控電磁鐵才能實現(xiàn),這一思想成為以后開展磁懸浮列車和磁懸浮軸承研究

3、的主導思想。 伴隨著現(xiàn)代控制理論和電子技術(shù)的飛躍發(fā)展, 本世紀 60 年代中期對磁懸浮技術(shù)的研究躍上了一個新臺階。 英國、日本、 德國都相繼開展了對磁懸浮列車的研究。 磁懸浮軸承的研究是磁懸浮技術(shù)發(fā)展并向應用方向轉(zhuǎn)化的一個重要實例。 據(jù)有關(guān)資 料 記 載: 1969 年, 法 國 軍 部 科 研 實 驗 室(L RBA ) 開始對磁懸浮軸承的研究; 1972 年,將第一個磁懸浮軸承用于衛(wèi)星導向輪的支撐上, 從而揭開了磁懸浮軸承發(fā)展的序幕。 此后, 磁懸浮軸承很快被應用到國防、 航天等各個領(lǐng)域。 美國在 1983年11月搭載于航天飛機上的歐洲空間試驗倉里采用了磁懸浮軸承真空泵; 日本將磁懸浮軸承

4、列為 80 年代新的加工技術(shù)之一, 1984 年, S2M 公司與日本精工電子工業(yè)公司聯(lián)合成立了日本電磁軸承公司, 在日本生產(chǎn)、銷售渦輪分子泵和機床電磁主軸等。 經(jīng)過 30 多年的發(fā)展, 磁懸浮軸承在國外的應用場合進一步擴大, 從應用角度看,在高速旋轉(zhuǎn)和相關(guān)高精度的應用場合磁懸浮軸承具有極大的優(yōu)勢并已逐漸成為應用研究的主流。2、 磁懸浮軸承的工作原理磁懸浮軸承是一個復雜的機電耦合系統(tǒng)。在早期的研究過程中, 它由機械系統(tǒng)控制系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)組成。 計算機技術(shù)的發(fā)展為實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能化提供了條件, 將計算機加到系統(tǒng)中得到磁懸浮軸承系統(tǒng)。 在這個系統(tǒng)中, 利用計算機可以更方便地從外界拾取信號, 并對

5、其進行智能處理, 實現(xiàn)軸承的穩(wěn)定運行與控制。機械系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子和定子組成 ( 徑向軸承結(jié)構(gòu)如圖 1,推力軸承結(jié)構(gòu)如圖 2) , 通常它們都是由鐵磁疊片構(gòu)成的。 圖 1徑向軸承結(jié)構(gòu)簡圖轉(zhuǎn)子疊片裝在軸徑上, 定子疊片上開有槽, 并纏繞著線圈以提供磁力。控制系統(tǒng)指控制轉(zhuǎn)子位置的電氣系統(tǒng),簡單的控制系統(tǒng)由傳感器、控制器和功率放大器組成 ( 如圖 3) 。 圖 3軸承控制系統(tǒng)簡圖傳感器: 即檢測元件, 是磁懸浮軸承的重要組成部分, 位置傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子的偏移情況, 速度傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子的運動速度; 控制器: 是個整個磁懸浮軸承的核心, 其性能決定了磁懸浮軸承的好壞, 其作用是對傳感器檢測到的位置偏差信號

6、進行適度的運算, 使得轉(zhuǎn)子有高精度的定位,在外力的干擾作用下能通過迅速而恰當?shù)碾娏髯兓罐D(zhuǎn)子回到基準位置; 功率放大器: 其作用是向電磁鐵提供產(chǎn)生電磁力所需的電流。磁懸浮軸承工作的基本原理: 通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子的軸偏差信號, 將該信號送入控制器, 通過功率放大器控制電磁鐵中的電流, 從而產(chǎn)生電磁力的變化使轉(zhuǎn)子懸浮于規(guī)定的位置。三、磁懸浮軸承的分類 磁懸浮軸承可以按磁懸浮方式和結(jié)構(gòu)等多種方法來分類, 有很多類型。按懸浮方式可分為主動式和被動式; 按結(jié)構(gòu)可分為立式、臥式、內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型; 按作用力可分為吸引式和排斥式; 按接觸方式可分為完全非接觸型和部分接觸型; 按電磁鐵類型可分為超導式、

7、交流控制式和直流控制式. 目前, 在磁懸浮軸承研究領(lǐng)域主要以主動的直流控制式磁懸浮軸承為研究對象. 圖 4 為主動的直流控制式磁懸浮軸承的工作原理示意圖.需要指出的是: 與主動磁懸浮軸承相比,被動磁懸浮軸承具有系統(tǒng)設(shè)計簡單, 并在無控制環(huán)節(jié)的情況下即可穩(wěn)定. 但是它不能產(chǎn)生阻尼, 亦即缺少像機械阻尼或像主動軸承那樣的附加手段, 因此這個系統(tǒng)的穩(wěn)定域是很小的, 外界干擾的小變化也會使它趨于不穩(wěn)定。 圖 4主動磁懸浮軸承工作原理示意4、 磁懸浮軸承的優(yōu)點與其它軸承相比，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在無機械接觸和特性可控制兩個方面。4.1 無機械接觸方面的優(yōu)點無機械接觸，因而無磨損，其壽命實際上是控制電路元器件的

8、壽命，比接觸式軸承壽命長得多：無須潤滑，可省去泵、管道、過濾器、密封元件，也不會因潤滑劑而污染環(huán)境，因此特別適合于真空技術(shù)和無菌車間等超凈環(huán)境使用：軸承功耗低，僅是傳統(tǒng)軸承的1/51/20：允許轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速只受轉(zhuǎn)子材料承受離心力的強度限制，這為設(shè)計具有全新結(jié)構(gòu)的大功率機器提供了可能。4.2 特性可控制帶來的優(yōu)點磁浮軸承的動態(tài)特性可控制、優(yōu)化，其動態(tài)性能主要取決于所用控制規(guī)律，這樣可使剛度、阻尼等與軸承的工作環(huán)境甚至運行狀態(tài)和轉(zhuǎn)速相適應，可使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運轉(zhuǎn)：轉(zhuǎn)子的控制精度，如轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)精度，主要取決于控制環(huán)節(jié)中信號的測量精度，不受其它因素影響：便于對機器的運行狀態(tài)進行在線診斷和監(jiān)控，提高系

9、統(tǒng)的穩(wěn)定性：它不僅可支承轉(zhuǎn)子、阻尼振動和穩(wěn)定轉(zhuǎn)子，而且還可作為激振器使用，利用激振信號和響應信號可以識別一些尚屬未知的轉(zhuǎn)子特性。當然，磁浮軸承也有不足之處，主要是必須外加控制裝置，結(jié)構(gòu)復雜，成本高(不過已看到了大幅降低成本的前景)。 五、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1、國外的研究現(xiàn)狀 目前在國外研究比較活躍的科研院校有瑞士聯(lián)邦理工學院、美國維吉尼亞大學、美國的NASA、馬里蘭大學、日本東京大學和千葉大學等。在企業(yè)方面,西方國家已有幾十家公司在生產(chǎn)與磁懸浮軸承相關(guān)的產(chǎn)品,并且已經(jīng)有公司進軍中國市場,在制造磁懸浮軸承產(chǎn)品方面,國外主要有瑞士的Mecos、法國的S2M公司(已被瑞典的SKF公司收購)和IBAG

10、公司、以及CALNETIX公司、加拿大的RE-VOLVE公司、芬蘭ABS公司、德國的LEVITEC公司、日本的精工、俄羅斯的OKBM公司等。已有超過幾十萬臺電磁懸浮軸承成功地應用在了水泵、風機、壓縮機等300多個領(lǐng)域,并且仍在不斷探索中。具有23年磁懸浮軸承設(shè)計歷史的Mecos公司,其最新發(fā)布的透平機系列產(chǎn)品技術(shù)指標如下:透平二氧化碳空氣循環(huán)鼓風機,軸承直徑48mm,轉(zhuǎn)子質(zhì)量3.6kg,轉(zhuǎn)速54000r/min,電機功率12kW。透平發(fā)電機,軸承直徑110mm,轉(zhuǎn)子質(zhì)量110kg,轉(zhuǎn)速32000r/min,電機功率450kW。透平增壓菜,轉(zhuǎn)速24000r/min,電機功率800W。透平分子泵,

11、轉(zhuǎn)速為24000-50000r/min,轉(zhuǎn)子功率達到1400kWt30SKF公司認為磁浮軸承可達到更高的圓周速度,并在天然氣處理流程中直接運行,是更簡單、更緊湊、無干氣密封的整合型壓縮機設(shè)計的理想技術(shù)之選。所以已有超過700個渦輪機磁懸浮軸承在天然氣的上游、中游和下游中使用。在2011年,TA-T0IL公司與SKF簽署世界首臺海底天然氣磁懸浮壓縮機的合同,旨在使位于北海的Asgard氣田海底壓縮站在2014年投人運行,之后將從氣田里提取更多的天然氣。市場上超過12000個的渦輪分子真空泵(主要用于半導體工業(yè))現(xiàn)在使用的是SKF提供的磁懸浮軸承系統(tǒng)組件4。而日本著名的日立公司早在1991年就與S

12、2M合作,并與1992年生產(chǎn)制造了第一臺磁懸浮離心壓縮機。芬蘭ABS公司的HST高速磁懸浮離心鼓風機,主要用于污水處理廠和工業(yè)低壓工藝。性能范圍:流量700-10000m3/h;升壓范圍:40125kPa,其最新推出的也是最先進的HST40現(xiàn)在流量可達16000m3/h,而且壓力可變。它的優(yōu)勢體現(xiàn)在其效率,比目前市場上其它鼓風機相比可高出10%。而日本川崎HST高速磁懸浮離心鼓風機有2500、6000、9000三個系列。其性能范圍:流量:80010600mVh;升壓范圍:40130kPa。2003年1月,麥克維爾空調(diào)公司在美國正式向全球發(fā)布了世界上第一臺采用磁懸浮離心式壓縮機150t水冷式冷水

13、機組WFC,并順利通過美國制冷空調(diào)與供暖協(xié)會認證,作為世界領(lǐng)先水平的磁懸浮空調(diào),能達到67dB的超低運行噪聲,而且不斷推出性能優(yōu)越的磁懸浮新產(chǎn)品。2013年,麥克維爾將正式向中國及亞太地區(qū)發(fā)布其第二代磁懸浮機組。2011年,美國江森自控正式在中國市場推出YMC2磁懸浮變頻離心式冷水機組。YMC2的制冷量為7001400kW,它集合了江森自控的最先進的核心技術(shù)YMC2可以顯著提高機組的滿負荷和部分負荷效率,比常規(guī)離心式機組提高10%以上,實現(xiàn)卓越的全天候運行效率。江森自控約克在磁懸浮離心機領(lǐng)域也是目前市場中唯一能夠做到3500kW的企業(yè)。綜上所述,國外磁懸浮軸承在風機和栗類設(shè)備上技術(shù)比較成熟和先

14、進,產(chǎn)業(yè)化成熟,工藝也比較完善,取得了在多個領(lǐng)域的大量應用實踐經(jīng)驗。2、 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國在磁懸浮軸承相關(guān)領(lǐng)域的研究工作起步較晚,進展較緩慢,遠遠落后于國外。不過相關(guān)研究一直在高校和企業(yè)中開展,并在理論分析方面取得了許多研究成果,產(chǎn)品應用則剛剛起步。2005年8月,第一屆中國磁懸浮軸承學術(shù)會議在北京順利召開,2010年8月第12屆國際磁懸浮軸承學術(shù)會議由武漢理工大學、西安交通大學舉辦,匯集了國內(nèi)外各家磁懸浮軸承研究單位的近期研究成果和相關(guān)學科方面研究的最新進展、動向等,對推動我國相關(guān)先進技術(shù)進步有著重要的意義。西安交通大學磁懸浮技術(shù)科研人員認為,基于國內(nèi)這些年的理論準備和研究積累,磁懸浮軸承

15、的技術(shù)發(fā)展不存在實質(zhì)性的困難?。同時我國掌握了有關(guān)磁懸浮軸承的許多關(guān)鍵技術(shù),很多都是國際上的首創(chuàng),并且被國際上其他相關(guān)單位采用。清華大學作為我國最早從事磁懸浮軸承研究的單位之一,其磁浮軸承研究巳基本脫離了實驗室階段,2004年,趙鴻賓教授所在的機電與控制實驗室實現(xiàn)了數(shù)控高速磁軸承轉(zhuǎn)速近50000r/min,回轉(zhuǎn)精度1這些成績在國內(nèi)均屬首創(chuàng),并且自行研制的磁懸浮軸承已經(jīng)被應用在WMW高溫氣冷堆氨氣透平發(fā)電項目上。該透平壓縮機的功率可以達到2500kW,其工作轉(zhuǎn)速為15000r/min9。2008年,清華大學與浙江飛旋科技有限公司合作研發(fā)的基于交叉反饋控制的FS450型分子泵磁懸浮軸承是我國第一個

16、成功應用于磁懸浮軸承技術(shù)的產(chǎn)品。這一技術(shù)的突破結(jié)束了國外的長期壟斷,是繼法國、德國、美國、加拿大等少數(shù)發(fā)達國家之后,我國也成為擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的磁懸浮軸承制造技術(shù)的國家。南京航空航天大學是目前國內(nèi)磁懸浮軸承研究領(lǐng)域中較活躍的單位之一,也是國內(nèi)電磁懸浮領(lǐng)域中研究成果較多的高校。2009年,由該校徐龍祥教授團隊研發(fā)、南京磁谷科技有限公司生產(chǎn)的國內(nèi)第一臺自主知識產(chǎn)權(quán)的磁懸浮鼓風機,額定轉(zhuǎn)速40000r/min,額定功率70kW,額定流量40m3/miii,額定升壓60kPa,在污水處理廠成功連續(xù)運行,被科技部和環(huán)保部列入國家重點新產(chǎn)品計劃項目。并于2010下半年并投入量產(chǎn),其產(chǎn)品不僅可節(jié)能15%、降

17、耗80%以上,而且價格也遠遠低于國外同類產(chǎn)品。山東大學磁懸浮軸承工程技術(shù)研究中心與中國醫(yī)學科學院阜外心血管病醫(yī)院合作,經(jīng)過一年的攻關(guān),2009年成功研制出國內(nèi)首臺軸流式可控磁懸浮人工心臟栗樣機,解決了軸流式磁懸浮人工心臟泵開發(fā)研究中的基礎(chǔ)難題12。由此大大延長了起搏器的壽命,同時對病人的壽命延長也是功不可沒。企業(yè)方面,2006年,中國第一臺磁懸浮中央空調(diào)在海爾問世。其磁懸浮中央空調(diào)巳經(jīng)成功地在多個建筑和工程項目上通過了長期穩(wěn)定的運行考驗，如:深圳招商地產(chǎn)總部辦公大樓、河南南陽龍鑫國際大酒店、洛陽凱芙建國酒店、世茂集團北京世茂工三期項目、北京地鐵房山線、香港北大嶼山醫(yī)院等。 2009年,海爾研發(fā)出第二代磁懸浮離心機組;2010年底,海爾研發(fā)出中國第一臺風冷磁懸浮機組;2011年,水源熱泵磁懸浮在海爾問世。2012年5月18日,海爾中央空調(diào)在青島舉行了磁懸浮變頻離心機應用交流會并成立.國內(nèi)首個磁懸浮變頻離心機專家顧問委員會,海爾顯然成為了這場中央空調(diào)產(chǎn)業(yè)應用新革命浪潮的主導者。國內(nèi)磁懸浮軸承技術(shù)