主动磁悬浮轴承的工作原理及发展趋势

　　摘　要：磁悬浮轴承是利用磁场力将转轴悬浮在磁场中，使转轴在空间无机械接触、无磨损地旋转的一种新型高性能轴承。与传统轴承相比，具有许多优点。介绍了主动磁悬浮轴承的结构和工作原理，提出了磁悬浮轴承的现存问题。
　　关键词：主动磁悬浮；轴承；工作原理
　　在磁悬浮领域中，应用Z广泛的就是磁悬浮轴承，也称电磁轴承或磁力轴承。它是利用磁场力将转轴悬浮在磁场中，使转轴在空间无机械接触、无磨损地旋转的一种新型高性能轴承。由于不存在机械接触，转子可在超临界转速，每分钟数十万转的工况下运行并且可以降低能耗和噪声。具有无需润滑，无油污染，寿命长以及适用于许多应用环境等优点，因而具有一般传统轴承所无法比拟的优越性。由于它具有这样一系列独特的优点，近年来国内外对其研究都颇为重视。
　　根据产生悬浮力的不同方式，可将磁悬浮轴承分为：主动磁悬浮轴承、超导磁轴承、永久磁铁轴承、混合磁轴承等。其中主动磁悬浮轴承是磁悬浮轴承领域主要的研究对象，现对它的工作原理和发展趋势介绍如下。
　　1　磁悬浮轴承的结构及工作原理
　　主动磁悬浮轴承是高度机电一体化产品，由电磁铁、转子构成控制对象，并与位移传感器、控制器、功率放大器一起组成闭环控制系统。有关磁悬浮轴承的基本性能，包括刚度和阻尼转子定位，不平衡响应等均取决于控制器。图1所示是一个磁悬浮轴承系统^[1]。 　　现对它的工作原理介绍如下：它由转子、传感器、控制器和执行器四大部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。设电磁铁绕组上电流为I0，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，这里所谓的平衡位置是指作用在转子上的所有力之和等于零时所对应的位置，这个位置也称为参考位置。在当前情况下，仅有两个力，即重力G和与之相反的磁力Fm，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变换成控制电流I0＋i，其相对于参考位置，此时的控制电流由I0增加到I0＋i，因此电磁铁的磁力变大了，从而驱动转子返回到原来的平衡位置。因此，无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]。通过以上原理分析我们可以看出，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获取信号，并对其进行智能处理，实现轴承的稳定运行和控制。
　　2　磁悬浮轴承研究的应用现状
　　由于其独特的性能，主动磁悬浮轴承的研究已越来越为世人所瞩目。目前，主动电磁轴承的研究已从科学研究走向工业化、商品化，其工业应用包括透平机、压缩机、泵、鼓风机、飞轮、加工刀具的旋转头、粉碎机、离心机等。到目前为止，它主要应用在如下几个方面：
　　（1）用作支承元件即通常意义下的磁悬浮轴承。如应用在高速磨床、铣床、高速电机、航空发动机、航天器姿态控制装置等机器中。
　　（2）用作减振器称为电磁减振或电磁阻尼器，对具有不平衡质量的柔性转子系统振动进行控制。磁悬浮轴承区别于普通轴承的显著特点之一，就在于它的高速度和提供了一个可控的电磁力。磁悬浮轴承除了满足基本的支承作用外，既能作为转子运转的检测传感器，又能作为对转子实施控制的执行器。如将其应用在涡轮机、透平机械和离心机等机器上，控制转子的不平衡，将会极大的提高转子的运转精度和工作可靠性。
　　（3）用在间隙测量装置中。
　　3　磁悬浮轴承现存的问题
　　到目前为止，磁悬浮轴承在实际应用中还存在着以下问题：
　　（1）造价高。目前实现稳定磁悬浮的轴承系统多数较为复杂，造价比传统轴承高，仅应用于某些特殊需要的场合。
　　（2）磁悬浮轴承的刚度和承载能力使大规模应用还有一定难度。磁悬浮轴承刚度的大小取决于系统结构和组成，现在多采用可控电磁铁来实现系统的稳定，提供的刚度和阻尼都比较小，承载能力比同等条件下的传统轴承小，这也制约了磁悬浮轴承的应用范围^[2，3]。
　　4　磁悬浮轴承的发展趋势
　　虽然对磁悬浮轴承的研究还存在很多问题，但对其理论分析已经形成了较完整的体系。从总体上来看，国内外磁悬浮轴承的研究具有以下几个发展趋势：
　　（1）理论分析方面：理论问题的研究将更具有针对性，并在重视控制系统研究的同时，着重研究系统的转子动力学分析，从而更有效地改进控制方法；采用模糊控制、神经网络控制等智能控制方法，实现对复杂转子动力学特性的控制。
　　（2）应用方面：成本过高在一定程度上限制了磁悬浮轴承的推广应用，因而实用性的研究将加强，它的产品化和标准化的步伐也将加快，新产品将越来越多地使用数字控制，应用范围也将逐渐从军工转向民用。
　　（3）自检测磁悬浮轴承的研究。这种轴承在工业上具有很大的应用前景。
　　（4）各种先进控制器和功率放大器的研究。磁悬浮轴承的动态性能，在很大程度上取决于控制器和功率放大器的性能，这个领域将是今后研究的热点之一。
　　（5）超导磁悬浮轴承的研究。这种轴承的体积很小，却有很大的承载能力。这方面的研究进展在很大程度上依赖于高温超导材料的进展。
　　5　结语
　　磁悬浮轴承是高科技的产物，它具有许多传统轴承无法比拟的优点。它在航空、能源、国防、电力、空间科学等方面都有着重要的应用价值。目前我国在这方面的研究还处于起步阶段，与国外还有很大的差距，因此，大力开展这方面的研究具有重要的意义。
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