磁悬浮轴承的原理及现状1
机械工艺师 综 述
・
磁 悬 浮轴承的原理 及 现 状
南京 航 空 航天 大 学
重 庆大 学
曾
峨 仓抖
励
黄 民双
刘正埙
王 晓青
摘要
介 绍 了磁 悬 浮 轴 承 的 结 构 和 原 理 综 述 了 磁 悬 浮 轴 承 的 现 状 及 发 展 趋 势
,
。
关 键 词 磁 悬 浮 轴承
原理
现状
、
发 展 趋势
、 、
由于 磁 悬 浮 轴 承 具 有 无 接 触 无 摩 擦 无 磨 损 高
速 度 高精 度 不 需 要 润 滑 和 密 封 等 一 系 列 优 良 品 质
,
些 努 力 推 动 了 磁悬 浮 轴 承 在 工 业 上 的广 泛 应 用
,
。
、
,
磁悬 浮 轴承 的概念虽 然早 在
,
多 年 前 就 提 出来
。
因而 从 根 本 上 改 变 了 传 统 的 支 承 形 式 一 工作原理
、
。
了 但 它 的 实现 却是 最 近 几 十 年 的事 情
在 民用方 面
,
年法 国
, ,
公 司与
。
公 司联合投 资成 立 了
年 该公 司 开 发 了世界 上
,
公 司 对超 高 精 密 加工 机 床 用 的 磁 悬 浮 轴 承 进 行
了系统 的研究 和 开 发
,
磁悬 浮 轴 承 按 照 磁 力 提 供 方 式 可 分 为 有 源 磁 悬
浮 轴 承 由 电 磁 铁提 供 磁 力 也 称 主 动 磁轴 承
,
无源 磁
第一 台 高 速 机 床 的 磁 悬 浮 主 轴
洲 国 际机床展 览 会 上 首 次 推 出 了
,
年在
、
欧 磁浮悬 主
悬 浮 轴承 由 永 久 磁 铁 提 供 磁 力 也 称 被 动 磁 悬 浮 轴
承
混合磁悬 浮轴承
。
由永久 磁 铁和 电磁 铁提 供磁
。
,
轴系 统 并在
, ,
《
、
而 速 度 下 进行 了钻 铣现 场 表
、 。
力
图
、
所示 是 一 个 简单 的有 源 磁 悬 浮 轴 承 系 统
、 。
演 其 高 速 高精 度 高 效 低 能耗 的 优 良性 能 引起 了 各
国 专 家 的极 大 关 注
、
它 由转 子 传 感 器 控 制 器 和 执 行 器 四 大 部 分 组 成 其
此 后 瑞 士 美 国 日本 和 德 国 等
,
、
、
中 执行 器 包 括 电 磁 铁 和 功 率 放 大 器 两 部 分
设 电磁 铁
工 业 发 达 国 家相 继 建 立 了 磁 悬 浮 轴 承 的 专 业 公 司
,
、
。
磁
绕组 上 电流 为
,
,
它 对 转子 产生 的 吸力
, ,
和 转 子 的重
悬 浮 轴承 除 了在 机 床领 域 得 到 了广 泛 应 用 外 在 离 心 压缩机 分子 涡 流 泵 汽轮发 动 机等大 型 设 备上也 得 到
了成 功 的应 用
。 、
力 呵 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 会偏 离其 参 考 位 置 向 下 运 动 此 时 传 感 器
在 航 空 航 天 领 域 美 国德 雷 伯 实 验 室 于
,
年代初
检测 出转 子 偏 离 其 参 考 位 置 的 位 移 控 制 器 将 这 一 位
首先在 空 间 制 导 和 惯 性 轮 上 成 功 地 使 用 了 磁 悬 浮 轴
移信 号 变 换 成
控 制 信 号 功 率 放 大 器 又 将 该 控 制 信 号
,
承 其后 法 国在
,
汀 地 球 观 测 卫 星 中安 装 了 姿 态 控
。
变换 成 控 制 电 流
,
十
,
相对于
制 用 的磁悬 浮 飞轮
年
月 日本 在
。
一 型火箭
,
参考 位 置 此 时 的 控 制 电 流 由
增加 到
, ,
上 进 行 了磁 悬 浮 飞 轮 的 空 间 试 验
,
最 近几年 美国对
因此 电磁 铁 的磁
控制 器 功 率 放大 器
电磁铁
磁悬 浮轴承 在先进 发 动机上 应 用 的 可行性作 了系统 的
力变 大 了 从 而 驱 动 转 子 返 回 到 原来 的 平 衡 位 置
。
研究 研究 的结 果 表 明 使用 磁 悬 浮 轴 承 可 以 将 发 动 机
转子
因此 不 论转
, ,
的重 量 减 轻
并提高
的效率
一币
。
年 美 国普
, ,
子 受 到 向上 或 向 下 的 扰 动 转 子
传感 器
惠公 司 在 计 划 研究 的
发 动 机 的 核 心 机 中使
的试 验
。
始终 能 处 于 稳 定 的 平 衡 状 态
二 研究现状
、
。
图
磁悬 浮 轴承
工 作原理
用 了磁 悬 浮 轴 承 其 验 证 机 已 通
过了
目前 在 工 业 上 得 到 广 泛 应 用 的基 本 上 都是 如 图
匕 习控 制线 圈
仁 偏磁线圈 刀
目前 国 际 上 对 磁 悬 浮 轴 承
,
所示 的
的研 究工 作 非 常 活 跃
,
。
年 召 开 了第 一 届 国 际 磁
。
传 统 磁 悬 浮 轴 承 需 要 传感 器 的
磁悬 浮 轴 承 需要
,
悬 浮 轴承 会 议 此 后 每 两 年 召 开 一 次
年 美国
,
这种 磁 悬 浮轴承
航 空 航 天 管理 局 还 召 开 了 第 一 次 磁 悬 浮 技 术 在 航 天 中
应 用 的讨 论 会
。
图
提
出 的 电磁
个或
个 非 接触式位 移
。
现 在 美 国 法 国 瑞 士 日本 和 我 国 都
,
、
、
、
传感 器 来 检 测 转 子 的 位 移
,
由
在 大 力 支持 开 展 磁 悬 浮轴承 的研 究 工 作
。
国 际 上 的这
铁结 构
于 传感器 的存 在 使 磁 悬 浮 轴 承
机械工艺 师 系统 的 轴 向 尺 寸 变 大 系 统 的 动 态 性 能 降 低 而 且 成 本
,
、
在
、
中的 应 用 这 一 课 题 进 行 了 研 究
、
、
”
。
此 后 清华
,
高 可靠性 低 计更 为复杂
价约为
。
、
。
由于 结 构 的 限 制 传 感 器 不 能 装 在 磁 悬
, , ,
大学 西安交通大学 天 津大 学 南京 航 空 航 天 大 学 等
浮轴承 的 中间 使 系统 的控 制 方 程相 互祸合 控 制 器设
都 在 进 行 这 方 面 的研 究 工 作
。
此 外 由于 传 感 器 的价 格 较 高 从 而 导 致
, , , ,
磁 悬 浮 轴 承 的售 价 很 高 国 际 上 一 套 磁 悬 浮 轴 承 的 售 万美元 这 大 大 限制 了磁 悬 浮 轴 承 在 工 业 上
。
,
目 寻鱼蔽 叫
】
一
二 兀
的 推 广应 用
二 凡叮仁一
控 制线 圈
如 何 降 低 磁悬 浮 轴 承 的 价 格 一 直 是 国
际 上 的 热 点研 究课题
。
最近 几年 结合磁悬 浮轴承 和 无传感器
, ,
永久磁铁
图
永 磁偏 置 的 混 合 磁 悬 浮 轴 承
检测 两大研究领域 的最 新 研 究 成 果 诞 生 了 一 个 全 新
的研 究 方 向
卿
,
飞或
—
无传感器 的磁悬 浮 轴承 曳
一
三 发展趋势
。 。
、
氏
吧
吧
嗯
。
所 谓 无 传感 器 的磁 悬 浮 轴承 并 不 是 不 需 要 检测 转
,
超导磁悬 浮 轴承 的研究 小 却 有 很 大 的承 载 能 力
的突破
。 。
这种轴承 的体积很
,
子 的位移 而 是 不 需 要 设 计 专 门 的 位 移 传感 器
,
在无
这 方 面 的研 究 进 展 在 很 大
传感 器 的 磁 悬 浮 轴 承 系 统 中 转 子 的 位 移 是 根 据 电 磁
铁 线 圈 上 的 电 流 和 电压 信 号 而 得 到 的
,
程度 上依赖于 高温 超 导 材 料 的 进 展 近 几 年 很难 有 大 自检 测 磁 悬 浮 轴 承 的 研 究
。
。
这类磁悬 浮轴
承 在 如 下 方 面 得 到 了 显 著 的改 善 和 提 高 转 子 的 轴 向
尺 寸 变小 系 统 的 动 态 性 能 得 到 提 高 进 一 步 提 高 了磁
这种 轴承在工 业 上
。
具有很大 的应用前景
,
。
悬 浮 轴 承 的 可 靠 性 便 于 设计 磁 悬 浮 轴 承 的 控 制 器 价 格 显 著下 降
,
各 种 先进 控 制 器 和 功 率放大器 的研究
,
磁悬 浮
。
。
轴承 动 态 性 能 在 很 大 程 度 上 取 决 于 控 制 器 和 功 率 放
大 器 的 性 能 这 个 领 域 将 是 今 后 的 热 点 方 向之 一 磁 悬 浮 轴 承 的推 广应 用
,
根 据 电磁 铁 线 圈 上 的 电 流 和 电压 信 号 检 测 转 子 位 移 其 主要 方 法有 两 类 一 类 是 参 数 估 计 法 将 磁 悬 浮
,
。
将磁悬 浮轴承广泛 用
。
轴 承 和 转 子 间 的 气 隙看 成 是 轴 承 和 功 率 放 大 器 的 时 变 参数 另 一 类 方 法 是 将 磁 悬 浮 轴 承 和 转 子 看 成 一 个 整
于 工 业 设 备 一 直 是 研 究 人 员 最 终 追 求 的 目标
参
场
〕
考
文
昭
献
罗
体 位移不是 一 个参 数 而 是 一 种 状 态
, , ,
。
用解调
、
技 术 研 究 了无 传 感 器 的 磁 悬 浮 轴 承 其 不 足 的 是 系 统
对开 关 功 率 放 大 器 的 占空 比 很 敏 感
和
。
〕 】
,
币
司
等人将磁悬 浮轴承 看 成 是 一 个 两 端 网络 用
, , ,
群
,
,
线性 状 态 空 间 观 测 器 来 表 征 状 态 的 位 移 这 种 磁 悬 浮 轴承 系 统 的不 足 是 控 制 器 和 观 测 器 的 鲁 棒 性 差 很 小
的参数 变 化 会 导 致 系 统 失 稳 调 从 而 得 到转 子 的 位 移 信 号
, ,
阮
亩
,
卿
反 甘一
,
。
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,
引用线性参
’
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,
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场
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叨目
数估 计 法 设 计 了 一 套 信 号 处 理 器 对 开 关 波 形 进 行 解
。
望
在 电磁铁 上
绕
,
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〕
孚
玩访
〕
上 两 组 不 同 的线 圈 一 组 是 偏 磁 线 圈 一 组 是 控 制 线 圈 如图
机在
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记
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卯
所示
仪
,
将 检测 到 的控 制 线 圈 的 电流 频 率送 人
,
丽
〕
,
卯
拍
设 计 解 调 电 路 就 能 得 到 转 子 的 位 移 信 号 所 研 制 的样
,
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川
阮
, 即
一
。
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叨五 记
下 实现 了稳定运行
,
。
卿 吧
, ,
由于 偏 磁 线 圈
,
产生 的磁 场是 恒定 不 变 的静 磁 场 主 要 靠 控 制 线 圈 产
生 的动 磁 场来 平 衡 外 干 扰 的 作 用
,
明
￡
。
故 可 用 永 久 磁 铁来
,
肠
,
祀 ‘
黝 即
反
,
刀
取代 偏 磁 线 圈 提 供 静 磁 场 构 成 混 合 磁 悬 浮 轴 承 见 图
一
鲜刃
,
玩
,
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其 优 点是 体 积 小 重 量 轻 且 功 率 损 耗 小 特 别 适 用
。
、
卿
阮
一
,
于航 空领域
用孕
哪
】
禅
”
国 内 对 磁 悬 浮 轴 承 的 研 究 工 作 起 步 较 晚 尚处 于
,
证
里
,
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哪
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实 验 室 阶段 落 后 外 国 约
,
年
。
年 广 州 机 床研
,
究所 与哈尔滨工 业 大 学 首 先 对 磁 力 轴 承 的 开 发 及 其
“
肠
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