磁悬浮轴承技术的发展与应用

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1、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AMB)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11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60年代中期开

2、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1086年以前就发明了指南针，这是人类最早利用磁技术的产品。1820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，1825年英国人P巴洛、w斯特金制作了吸持力为其自重(200g)20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1842年，恩休(Eamsho

3、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(Kemper)在1937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

4、938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2100N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(Virginia)大学的比姆斯(Beams)和霍姆斯(Holmes)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1．8X106r／min(300kHz)，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20世纪60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

5、悬浮列车的研究，德国的MBB公司1977年研制的磁悬浮列车KOMET在其试验轨道上所达到的时速高达360km／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500km／h。在航天方面，法国于1972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1983年11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1986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，1976年法国SEP公司和SKF公司联合成立了$2M公司，发展成为世界上最大的一102—中国轴承论坛第

6、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。1983年S2M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1984年S2M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NTN东洋公司也推出了高速磁悬浮铣削头。在学术研究方面，从1988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

7、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)X105r／rain(2)直径：14～600nlrll(3)单个轴承承载力：(0．3—5)×104N(4)使用温度范围：一253—450℃(5)刚度：105～108N／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，