有关电磁悬浮轴承的理解与联想.doc

有关电磁悬浮轴承的理解与联想机械0804班钟扬u200810456序记得在复习“机械设计”有关轴承的章节中曾考虑过这样的问题：现在传统意义上的轴承一个共有的缺点是摩擦发热量大，能量损耗高，如果一种新型轴承可以减少轴与轴承间的摩擦，不光能减少能量损耗，而且能提高轴承寿命，将会有很好的发展前景，于是构想一种“电磁悬浮轴承”的想法油然而生。当晚回寝室与室友兴奋的说了这些构想，不料第二天室友在上“工艺装备学”这门课的时候老师便向他们介绍了这种已然存在的“电磁悬浮轴承”。于是现搜集相关资料，将我的思考过程与实物的相关知识记录如下。一、 什么是轴承轴承的定义为：用于确定旋转轴与其他零件相对运动位置，起支承或导向作用的零部件。它是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。也可以说，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。传统轴承按运动元件摩擦性质的不同，可分为滑动轴承和滚动轴承两类。按公称外径可分为小至几十毫米的微型轴承到大至2000毫米以上的重大型轴承。按载荷方向可分为向心轴承和推力轴承。二、传统轴承的特点及缺陷传统轴承按摩擦副的形式可分为滑动轴承和滚动轴承，这里分别加以介绍。滑动轴承是在滑动摩擦下工作的轴承。常用的滑动轴承材料有轴承合金（又叫巴氏合金或白合金）、耐磨铸铁、粉末冶金材料、塑料、橡胶、聚四氟乙烯等。轴承合金主要是锡、铅、锑或其它金属的合金，其耐磨型好、塑性高、跑合性能好、导热性好和抗胶和性好及与油的吸附性好，适用于重载、高速情况下。但轴承合金的强度较小，价格较贵。滑动轴承的相对滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，其承载能力高、工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力，寿命较长。但起动摩擦阻力较大，维护需要消耗较多的润滑油，制造需要大量的有色金属。滚动轴承依靠其主要元件间的滚动接触来支承转动或摆动零件，运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少路人摩擦损失。其运作时内圈随轴回转，外圈固定，内外圈的相对转动时，滚动体在内外圈的滚道内滚动，发生滚动摩擦。与滑动轴承相比，滚动轴承的摩擦力矩和发热较小，启动转矩更低，单位宽度承载能力达，且维护方便，节省了润滑剂的消耗和制造时有色金属的消耗。但其径向外廓尺寸较滑动轴承大，承载能力和减震能力差，接触应力高。三、我对电磁悬浮轴承的构思阅读传统轴承的特点总结发现，两种类型都不可避免的存在摩擦损耗，而摩擦损耗是造成元件磨损、传动效率降低的主要原因之一，在计算机械效率时总要在轴承这一环节扣掉1%-3%的传动效率。如何能减少摩擦损耗呢？假如摩擦面之间没有接触，就没有了摩擦，自然就没有了损耗，于是自然而然的联想到了磁悬浮。为什么不将轴承做成磁悬浮的呢？于是我展开了进一步的全面的构想。上图是轴承的大概示意图。外方内圆的设计便于轴承的摆放定位，在矩形外框的四条边周围摆放用于产生电磁场的导线。使用时根据轴的受载和本身的重量计算出所需产生的磁场的大小，然后根据控制系统控制电流的大小从而产生可以平衡掉轴的重力的磁场。轴在旋转过程中，轴的中心线与轴承的中心线共线，因此轴只与空气产生摩擦，发热量极微小。又考虑到在电磁场消失后轴会从悬空状态掉下，因此需要一组如下图所示的支撑杆负责在电磁场启动前把轴托到位，在电磁场取消后把轴放下。（此图为示意图，实际效果应把支撑部分做成可受控制伸缩的形式）电磁悬浮轴承的工作分为以下步骤：1、支撑杆伸出将轴托到位。2、通过轴的承重计算所需磁场力，进而得出导线中所需的电流分布。3、通电产生磁场力。4、支撑杆缩回。5、轴旋转，进入工作状态。6、轴停转。7、支撑杆伸出托住轴。8、停止通电，磁场消失。设计电磁悬浮轴承系统应注意以下几点： 1、应有反馈校正环节，通过传感器时刻监测轴的位置（轴心线的偏移）并随时调整电流以保证轴心线对正。2、对电磁波敏感，需要较好的隔离干扰装置。3、为了应对突然停电时磁场消失轴失去支撑的情况，应有备用电源。使用电磁悬浮轴承受到以下限制：1、轴必须含铁磁性材料。2、对于重载的轴，是否能产生足够大的磁场力平衡其受载有待考证。3、高速旋转的轴在磁场中是否会产生电涡流有待研究。电磁悬浮轴承相比其他传统轴承有以下优势：1、摩擦损耗极小，可以很好的提高传动效率。2、用于产生磁场的电流发的热量可以收集起来用于其他工作。3、一种尺寸的轴承可以用于多种轴颈的轴，实质上一个电磁悬浮轴承所能提供的最大磁悬浮力决定了它的工作范围，其外形、尺寸非常自由。4、轴承元件的磨损可以忽略不计，节省了维修成本。四、现在的磁悬浮轴承简介利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久， 但实现起来并不容易。早在1842年， Earn show就证明：单靠永久磁体是不能将一个铁磁体在所有 6个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的。真正意义上的磁悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究开始的。1937年， Kenper申请了第一个磁悬浮技术专利， 他认为要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的调节磁场力的大小， 即采用可控电磁铁才能实现，这一思想成为以后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。磁悬浮轴承的研究是磁悬浮技术发展并向应用方向转化的一个重要实例。据有关资料记载： 1969年，法国军部科研实验室（LRBA)开始对磁悬浮轴承的研究;1972年，将第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上，从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。此后，磁悬浮轴承很快被应用到国防、航天等各个领域。美国在1983年11月搭载于航天飞机上的欧洲空间试验仓里采用了磁悬浮轴承真空泵;日本将磁悬浮轴承列为80年代新的加工技术之一，1984年，S2M 公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本电磁轴承公司，在日本生产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等。经过 30 多年的发展，磁悬浮轴承在国外的应用场合进一步扩大，从应用角度看，在高速旋转和相关高精度的应用场合磁悬浮轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究的主流。磁悬浮轴承是一个复杂的机电耦合系统。在早期的研究过程中， 它由机械系统和控制系统两个子系统组成。计算机技术的发展为实现整个系统的智能化提供了条件，将计算机加到系统中得到磁悬浮轴承系统。在这个系统中，利用计算机可以更方便地从外界拾取信号，并对其进行智能处理，实现轴承的稳定运行与控制。机械系统由转子和定子组成 (径向轴承结构简图结构如图1，推力轴承结构如图2) ，通常它们都是由铁磁叠片构成的。转子叠片装在轴上， 定子叠片上开有槽， 并缠绕着线圈以提供磁力。控制系统指控制转子位置的电气系统，简单的控制系统由传感器、控制器和功率放大器组成 (如图3)。传感器：即检测元件，是磁悬浮轴承的重要组成部分，位置传感器用于检测转子的偏移情况，速度传感器用于检测转子的运动速度;控制器：是整个磁悬浮轴承的核心，其性能决定了磁悬浮轴承的好坏，其作用是对传感器检测到的位置偏差信号进行适度的运算， 使得转子有高精度的定位，在外力的干扰作用下能通过迅速而恰当的电流变化使转子回到基准位置;功率放大器：其作用是向电磁铁提供产生电磁力所需的电流。图3轴承控制系统简图磁悬浮轴承工作的基本原理： 通过位置传感器检测转子的轴偏差信号， 将该信号送入控制器， 通过功率放大器控制电磁铁中的电流，从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。磁悬浮轴承可以按磁悬浮方式和结构等多种方法来分类，有很多类型。按悬浮方式可分为主动式和被动式; 按结构可分为立式、卧式、内转子型和外转子型; 按作用力可分为吸引式和排斥式; 按接触方式可分为完全非接触型和部分接触型; 按电磁铁类型可分为超导式、交流控制式和直流控制式。目前，在磁悬浮轴承研究领域主要以主动的直流控制式磁悬浮轴承为研究对象。图4为主动的直流控制式磁悬浮轴承的工作原理示意图。图4为一简单磁悬浮系统，它是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。图4主动磁悬浮轴承工作原理示意图需要指出的是：与主动磁悬浮轴承相比，被动磁悬浮轴承具有系统设计简单，并在无控制环节的情况下即可稳定。但是它不能产生阻尼，亦即缺少像机械阻尼或像主动轴承那样的附加手段，因此这个系统的稳定域是很小的，外界干扰的小变化也会使它趋于不稳定。磁浮轴承应用广泛,如涡轮分子泵、压缩机、涡轮发电机、半导体设备和高速机床。磁浮轴承优点包括：1、不会受到污染物的磨损。2、无需润滑。3、在极端环境下运行，如极高和极低的温度、极高的温度、极高的真空或在淹没情况下的应用。4、传给轴承座的振动极少。5、精密的控制，可消除不平衡造成的轴跳动。6、内置状态监测装置，可以监测转子的振动和力的动态。有关电磁悬浮轴承的涡流问题，在网上没有查到相关解释。五、小结通过查阅网上资料发现，有关磁悬浮轴承的图片、文字、视频介绍甚少。而且“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。这项技术并没有得到欧美国