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磁悬浮 轴承 技术 发展 应用

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中国轴承论坛第四届研讨会论文集 磁悬浮轴承技术的发展与应用 上海大学轴承研究所张钢刘宁高刚赵志峰 优必胜 上海 轴承有限公司周罡 磁悬浮轴承技术是目前世界上公认的高新技术之一 主动控制磁悬浮轴承 简称主动磁轴承 A M B 是利用可控磁场力提供无接触支承 使转子稳定悬浮于空间且其动力学性能可由控制系统调节 的一种新型高性能轴承 是一种典型的机电一体化产品 它的研究涉及到机械学 电磁学 电子学 转子 动力学 控制理论和计算机科学 将作为滚动轴承 滑动轴承和空气轴承等传统机械轴承的更新换代产 品 成为本世纪最有发展前途的主导轴裂1 1 之一 一 磁悬浮支承技术的发展历史 磁悬浮支承技术是国际上6 0 年代中期开始研究的一项新的现代支承技术 人类对它研究的成 功 标志着对传统支承技术的革命 对于磁悬浮支承技术的发展历史最早可以追溯到古代 人类从自 然界的电闪雷鸣和天然磁石上开始注意到电磁现象 中国在1 0 8 6 年以前就发明了指南针 这是人类 最早利用磁技术的产品 1 8 2 0 年丹麦物理学家Hc 奥斯特发现了电流的磁感应现象 法国的JB 毕奥和F 萨伐尔得出了直 流电流元的磁力定律 DF 阿拉戈发明了电磁铁 1 8 2 5 年英国人P 巴洛 w 斯特金制作了吸持力为其自 重 2 0 0g 2 0 倍的电磁铁 然而 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想一直是人类的一个古老 的梦 其中实现起来并不容易 早在1 8 4 2 年 恩休 E a m s h o w 证明 单靠永久磁铁本身不能使一个铁 磁体在空间所有6 个自由度上都保持自由 稳定的悬浮状态 因为在受力与距离平方成反比的恒定力 场中 一个物体是找不到稳定的平衡位置的 所以 在磁悬浮轴承中 如果一个转子完全处于由永久磁 铁或恒定直流电磁铁所形成的静态磁力场中 其稳定悬浮是不能实现的 为了使铁磁体实现稳定的磁 悬浮 必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小 即采用可控电磁铁才能实现 也就是说 要 实现稳定悬浮 至少要对被悬浮转子的某一个自由度实行主动控制 这一设想由肯珀 K e m p e r 在1 9 3 7 年申请了第一个磁悬浮技术的专利 并构成了之后开展的磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想 1 9 3 8 年肯珀采用电感式传感器和电子管放大器做了一个可控电磁铁 对一个重量为21 0 0N 的物 体成功地实现了稳定磁悬浮 这就是磁悬浮列车的雏形 在同一时期内 美国费吉尼亚 V i r g i n i a 大 学的比姆斯 B e a m s 和霍姆斯 H o l m e s 采用电磁悬浮技术悬浮小钢球 通过钢球高速旋转时能承受的 离心力来测定试验材料的强度 所达到的旋转速度高达1 8X1 0 6r m i n 3 0 0k H z 这可能是世界上采 用磁悬浮技术支承旋转物体最早的应用实例 伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展 国际上从2 0 世纪6 0 年代中期开始对磁悬浮支承技 术的研究进入了一个全新的时期 在英国 日本和德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究 德国的M B B 公司1 9 7 7 年研制的磁悬浮列车K O M E T 在其试验轨道上所达到的时速高达3 6 0k m h 据说他们现在 卖给我们上海的磁悬浮列车已是他们第六 第七代磁悬浮列车 时速可达5 0 0k m h 在航天方面 法国于1 9 7 2 年成功地研制出了世界上第一套完整的电磁悬浮系统并用于通讯卫星 导向飞轮的支承上 美国在1 9 8 3 年1 1 月搭载于航天飞机上的欧洲空间实验舱里采用了电磁轴承真 空泵 日本在1 9 8 6 年6 月用H 一1 火箭进行的磁悬浮飞轮的空问实验也获得了满意的效果 在民用工业方面 1 9 7 6 年法国S E P 公司和S K F 公司联合成立了 2 M 公司 发展成为世界上最大的 一1 0 2 中国轴承论坛第四届研讨会论文集 电磁轴承生产销售商 专门开发航天和工业应用的各种电磁轴承 1 9 8 3 年S 2 M 公司在第五届欧洲机 床展览会上展示了磁悬浮电主轴部件 随后在1 9 8 4 年S 2 M 公司与日本精工电子工业公司联合成立了 日本磁轴承公司 在日本生产 销售涡轮分子泵和磁悬浮机床电主轴等 同年日本另一家N T N 东洋公司 也推出了高速磁悬浮铣削头 在学术研究方面 从1 9 8 8 年至今相继召开了九届国际磁轴承会议 从已发表的文献资料可以看 出 其研究内容涉及到电磁学 电子学 控制理论 机械学 转子动力学 材料学和计算机科学等学科 而在工业应用方面 磁悬浮轴承不仅应用于宇航部门 核工业部门 而且已迅速应用到军事部门和基础 工业部门的数百种不同的旋转或往复运动机械上 如斯特林制冷机 红外夜视 热汽机 潜艇 斯特 林热泵 高速磨床 高速铣床 高速车床 高速电动机 离心机 透平压缩机 真空泵等 所达到的技术指 标范围为 1 转速 0 8 X 1 0 5r r a i n 2 直径 1 4 6 0 0n l r l l 3 单个轴承承载力 0 3 5 1 0 4N 4 使用温度范围 一2 5 3 4 5 0 5 刚度 1 0 5 1 0 8N m 这说明磁悬浮轴承已作为比较成熟的工业产品推向了用户市场 二 磁悬浮轴承的技术特点 随着现代机械向着高速发展 人们研究了磁悬浮轴承技术 它是目前唯一投入实用的可以实现主 动控制的现代轴承技术 能够达到许多传统机械轴承技术无法达到的技术指标 它有这样一些特点 1 可容许转子达到很高的转速 磁悬浮轴承的转子可以在超临界 每分钟数十万转的工况下运 行 其圆周速度只受转子材料强度的限制 通常在相同的轴颈直径下 磁悬浮轴承支承的转子能达到 的转速比滚动轴承支承的转子大约高2 倍 比滑动轴承支承的转子大约高3 倍 德国F A G 公司通过试 验得出 滚动轴承d n 2 5 3 1 0 6m r r a i n 滑动轴承d n 0 8 2 1 0 6m r m i n 磁悬浮轴承 d n 4 0 6 X1 0 6m r m i n 2 摩擦功耗小 在1 00 0 0r m i n 时 磁悬浮轴承的功耗大约只有流体动压润滑轴承的6 只有 滚动轴承的1 7 这对节约能源有重大意义 3 维护成本低 寿命长 由于磁悬浮轴承是靠磁场力来悬浮轴颈 相对运动表面之间没有接触 不存在摩擦 磨损和接触疲劳产生的寿命问题 而电子元器件的可靠性在额定工作条件下大大高于机 械零部件 所以磁悬浮轴承的寿命和可靠性均远高于传统轴承 4 磁悬浮轴承无需润滑 因而不存在润滑剂对环境的污染 在真空 辐射和禁止润滑剂介质污染 的应用场合 如真空技术 超净无菌室以及腐蚀性或非常纯净的介质等 磁悬浮轴承具有无可比拟的优 势 在一般应用场合 由于省掉了润滑油的存储 过滤 冷却 循环等设施 在价格和占有空间位置上 完全可以和滑动轴承相竞争 5 磁悬浮支承系统具有灵活的刚度和阻尼调整能力 能够安全地超越转子的临界转速 三 磁悬浮轴承的类型 随着磁力轴承研究的不断发展 已有的磁力轴承种类非常多 通常可按以下方式分类 1 按磁场力的来源分类 可以分为永久磁铁型 电磁铁和永久磁铁混合型以及纯电磁铁型三种 2 按磁场力是否可以人为地控制分为主动型和被动型 上述的永久磁铁型只可能是被动型 后 两种则可以是主动型 也可以是被动型 3 按受控的自由度数可以分为单自由度型 二自由度型和五自由度型 1 0 3 中国轴承论坛第四届研讨会论文集 4 按利用的磁场力类型分为吸力型和斥力型 永久磁铁型刚度小 但悬浮功耗 I x 主动型磁力轴承的刚度大 可精密控制 纯电磁铁型只能是五 自由度控制 体积 重量及功耗都比较大 斥力型由于磁力利用率低 结构较吸力型复杂 地面应用较 多的是主动控制混合型或者纯电磁铁型 空间应用多为被动控制混合型 以降低能量的损耗 四 磁悬浮轴承的主要应用领域 磁悬浮轴承由于能实现无机械摩擦 无接触磨损和无需润滑 且具有定位精度高 适应的转速范围广 对环境无污染等优良特性 而被广泛用于空间技术和其他高技术领域 如人造卫星姿态控制中的飞轮 陀 螺仪 以及高性能的真空泵 压缩机 透平机 发电机 离心泵 分子泵 低温泵和机床的主轴部件等 目前由于研制价格还比较昂贵 限制了其应用范围 但随着科学技术的不断发展 磁悬浮轴承的 出现 已经在酝酿着一场支承技术的变革 表1 给出了能够采用磁悬浮轴承的旋转机械 表1能够采用磁力轴承的旋转机械 空间工业 机床工业轻工业重工业 1 人造卫星的惯性和陀螺飞轮1 高速加工电主轴1 透平分子真空泵1 压缩机和鼓风机 2 人造卫星图片复印设备2 高精度工件夹架2 X 射线管2 泵 3 低温透平泵3 大直径磨床3 离心机3 膨胀机和能量回收透平机 4 航空发动机4 高精度车床 4 转动反射镜主轴5 汽轮机和燃气轮机 5 小型低温压缩机6 发电机和电动机 五 磁悬浮轴承系统的基本工作原理 磁悬浮轴承系统是一个复杂的机电磁综合系统 要分析研究这样一个系统 必须建立与之相对应 的数学模型 实际上 精确地描述这样一个系统的数学方程是很难得到的 常用的方法是在转子的平 衡点附近对系统进行线性简化 这样做对实际系统的性能在一定范围内不会带来明显的误差 这就是 常见的单自由度磁悬浮系统的分析方法 1 单自由度一推力磁轴承的工作原理 如图1 所示 推力盘由其两边的一对推力磁轴承电磁铁来吸引 传 感器用来测量推力盘的位置变化 测量信号被送人控制器 经模拟或 数字运算后送入功率放大器产生控制电流z 来驱动推力轴承电磁铁 以获得维持推力盘稳定悬浮的电磁力 当推力盘在外力形作用下向 右移动时 传感器将这一信号告诉控制器 控制器增大控制电流i 使 得左边吸力大于右边吸力 推力盘向左移动 平衡时推力盘悬浮在这 对推力轴承之间 2 二自由度一径向磁轴承的工作原理 如图2 所示 转子分别由菇和Y 方向的两对电磁铁来吸引 传感器 用来测量转子的位置变化 测量信号被送入控制器 经模拟或数字运 图1 推力磁轴承的工作原理 算后送人功率放大器产生控制电流屯和i 来驱动径向磁轴承电磁铁以获得维持转子稳定悬浮的电磁 力 当转子在外力耽作用下向左下方移动时 传感器将这一信号告诉控制器 未画出 控制器增大控 制电流i 和i 使得上面和右面吸力大于下面和左面吸力 转子向右上方移动 平衡时转子悬浮在径向 磁轴承中间 3 五自由度磁轴承一转子系统 如图3 所示 一根转子在空间有六个自由度 除了旋转自由度由电机控制外 其余五个自由度由磁 轴承控制 称为五自由度磁轴承一转子系统 其中转子所受的径向载荷 包括转子重量 由两个径向磁 轴承来支承 轴向载荷由一对推力磁轴承来承受 在水平 垂直和轴向分别安装有五个传感器来测量转 子在空间五个自由度上的位置变化 测量信号被送人控制器 经模拟或数字运算后送人功率放大器产 一1 0 4 中国轴承论坛第四届研讨会论文集 生控制电流来驱动电磁铁以获得维持转子稳定悬浮的电磁力 在五自由度磁轴承一转子系统中装上 内置电机和外壳就成为磁悬浮支承电主轴 如图4 所示 图2 八磁极径向磁轴承工作原理图3 五自由度磁轴承一转子系统 图4 磁悬浮支承电主轴 在五自由度磁轴承一转子系统中两端装上涡轮和外壳等就成为磁悬浮涡轮膨胀机 如图5 所示 图5 磁悬浮涡轮膨胀机系统结构示意图 六 磁悬浮轴承技术在我国的发展与应用 我国在磁悬浮轴承技术方面的研究始于2 0 世纪7 0 年代末 上海交通大学 上海微电机研究所等 单位均作过这方面的尝试 其研究范围多用于惯性器件和仪表上 哈尔滨工业大学和广州机床研究所 则研究了卫星姿态控制飞轮及机床主轴两方面应用的磁轴承 清华大学和浙江大学还进行了磁轴承高 频电主轴及磁力阻尼器的研究 西安交通大学致力于磁轴承的研究已有十几年的历史 在此领域内先 1 0 5 中国轴承论坛第四届研讨会论文集 后进行了A N B 的模拟P I D 控制器 数字控制器 电磁铁优化设计 稳定性 控制器和功率放大器的改进 设计 系统仿真以及推力磁轴承的力学特性等研究 另外还有国防科技大学 天津大学 上海大学 南 京航空航天大学 西安理工大学 河南科技大学 原洛阳工学院 长春光学精密机械学院 武汉理工大 学等数十家机构或单位进行了磁悬浮轴承的研究 虽然我国磁悬浮轴承技术的总体水平与世界先进国 家相比落后了2 0 年左右 但某些研究成果目前已接近和达到了国际先进水平 为了进一步促进磁悬浮轴承的学术交流和技术进步 2 0 0 5 年8 月 在中国力学学会 清华大学核能 与新能源技术研究院的努力下 第一届中国电磁轴承学术会议在北京顺利召开 并决定在今后每两年 召开一次 在这次会议上 与会代表除了进行学术上的广泛交流外 还就如何推动我国磁悬浮轴承技 术的发展与应用进行了深入而热烈的讨论 并出版了第一届中国电磁轴承学术会议论文集 磁悬浮轴 承研究进展 n 这些文章基本上覆盖了目前我国磁悬浮轴承研究的各个学科 较全面地反映了我国磁 悬浮轴承的研究水平 内容包括磁悬浮轴承研究方向综述 磁悬浮轴承一转子动力学 磁悬浮轴承的新 型结构 磁悬浮轴承的新应用 磁悬浮轴承的鲁棒控制和磁悬浮轴承的传感器设计等等 清华大学核能与新能源技术研究院在承担的国家 8 6 3 计划重点项目 1 0 兆瓦高温气冷堆氦气透 平直接循环发电工程 中 发电机转子和透平压缩机转子的支承均选用磁悬浮轴承 采用D S P 数字控 制 通过一系列的试验和调试 成功地实现了5 自由度悬浮 并在连续试验运行中验证了系统的性能 上海大学最近研制了一台磁悬浮铣床电主轴 其主要技术性能设计指标为 转速50 0 0 5 00 0 0 r m i n 回转精度 1 5 岬 功率2 2k W 并于2 0 0 4 年1 1 月在上海国际工业博览会上展出 七 结束语 磁悬浮轴承作为一种新兴的特殊产品 清洁节能 经久耐用 是未来高速机械发展的趋势 在我国 不久也将进人工业应用市场 参考文献 1 张钢 磁悬浮轴承一转子系统的机电耦合动力学研究 D 西安 西安交通大学 1 9 9 9 2 第一届中国电磁轴承学术会议论文集 磁悬浮轴承研究进展 北京 2 0 0 5 1 0 6

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