磁悬浮轴承的原理

　　摘　要：本文介绍国内外磁悬浮轴承技术的发展历史现状，以及它的物理原理。
　　关键词：磁悬浮轴承；电磁力；基本原理
　　磁悬浮轴承也称电磁轴承或磁力轴承，是利用磁场力将轴承无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型高性能轴承。由于它具有一系列独特的优点，近年来对其研究颇为重视。又因为磁悬浮轴承技术涉及多个领域，多项技术的交织在其中表现突出，研究和开发利用的难度较大，对其研究力度正在进一步加强。
　　1　磁悬浮轴承概述
　　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，Earnshow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。然而，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。伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展，本世纪60年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。英国、日本、德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。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。
　　2　磁悬浮轴承工作原理
　　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。转子叠片装在轴径上，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：是个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。 　　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。 　　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。
　　3　展望
　　我国对磁悬浮轴承的研究始于60年代，但由于社会条件和技术水平的限制，使得我国在这方面的研究比国外先进国家落后近20年。从80年代起有数家单位开始这方面的样机开发，但到目前为止，开发的多数产品还处于实验室阶段，而且在轴承刚度和承载能力方面距离大规模应用还有一定难度，这是我国的科技人员所面临的一个新的课题。
　　参考文献
　　[1] 施韦策.G,布鲁勒.H,特拉克斯勒.A著.主动磁轴承基础、性能及应用.虞烈,袁崇军译;谢友柏校.北京:新时代出版社,1997.
　　[2] 曹广钟,虞烈,张钢等.电磁轴承系统的电气系统研究.机械科学与技术,1999,18(2).
　　[3] 施阳,周凯,严卫生等.主动磁悬浮轴承控制技术综述.机械科学与技术,1998,17(4).