磁悬浮轴承研究及其新发展

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1、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。我国口6()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，美国徳雷柏实验室在60年代首先在空间制导和惯性轮上

2、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，口本在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，日木、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

3、要的作用。二.正文1•磁悬浮轴承介绍磁悬浮轴承(MagneticBearing)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，利用儿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、超净等特殊环境屮。磁悬浮事

4、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。冇源磁悬浮轴承是由电磁铁捉供磁力，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，也称被动磁悬浮轴乐。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。按结构口J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。电昭铁丿/1放大器栓制為图1位一个冇源磁

5、悬浮轴承原理图，由转子、传感器、控制器、放人器和电磁铁组成。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人了，从而驱动转子返回到原來的平衡位置。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。1•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，

6、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,但它不能产牛阻尼，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威很小，外界很小的干扰会使它趋丁•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个自曲度的平衡，所以，混合磁悬浮轴承显著降低功率放人器的功耗；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。功率放大器图2混合磁悬浮轴承的结构原理(1)

7、混合磁悬浮轴承混合磁悬浮轴承的原理如图2.转了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=F2o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。曲于上间隙的磁通小雨下间隙的，故FvF2,此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移，，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器又将该控制信号

8、变换成控制电流，，该电流流经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生一电磁磁通，该磁通在转子上方与上间隙的磁通叠加，使转子重新返回到原来平衡位置。（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休的机械零件。采用P—MB的电机（或主轴系统）具有如下特点；①由于P—MB