磁懸浮軸承讀書筆記

1、基于磁懸浮軸承的研究讀書報(bào)告磁懸浮軸承(Magnetic Bearing) 是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸。其原理是磁感應(yīng)線與磁浮線成垂直，軸芯與磁浮線是平行的，所以轉(zhuǎn)子的重量就固定在運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道上，利用幾乎是無負(fù)載的軸芯往反磁浮線方向頂撐，形成整個(gè)轉(zhuǎn)子懸空，在固定運(yùn)轉(zhuǎn)軌道上。與傳統(tǒng)的滾珠軸承、滑動(dòng)軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子可以運(yùn)行到很高的轉(zhuǎn)速，具有機(jī)械磨損小、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境中。磁懸浮事實(shí)上只是一種輔助功能，并非是獨(dú)立的軸承形式，具體應(yīng)用還得配合其它的軸承形式，例如磁懸浮+滾珠軸承

2、、磁懸浮+含油軸承、磁懸浮+汽化軸承等等。這項(xiàng)技術(shù)并沒有得到歐美國家的認(rèn)可。1、 磁懸浮軸承的概述利用磁力使物體處于無接觸懸浮狀態(tài)的設(shè)想由來已久, 但實(shí)現(xiàn)起來并不易。 早在1842 年, Ea rn show 就證明: 單靠永久磁體是不能將一個(gè)鐵磁體在所有 6個(gè)自由度上都保持在自由穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)的.然而, 真正意義上的磁懸浮研究是從本世紀(jì)初的利用電磁相吸原理的懸浮車輛研究開始的。1937 年, Kenp er 申請了第一個(gè)磁懸浮技術(shù)專利, 他認(rèn)為要使鐵磁體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磁懸浮, 必須根據(jù)物體的懸浮狀態(tài)不斷的調(diào)節(jié)磁場力的大小, 即采用可控電磁鐵才能實(shí)現(xiàn),這一思想成為以后開展磁懸浮列車和磁懸浮軸承研究

3、的主導(dǎo)思想。 伴隨著現(xiàn)代控制理論和電子技術(shù)的飛躍發(fā)展, 本世紀(jì) 60 年代中期對磁懸浮技術(shù)的研究躍上了一個(gè)新臺(tái)階。 英國、日本、 德國都相繼開展了對磁懸浮列車的研究。 磁懸浮軸承的研究是磁懸浮技術(shù)發(fā)展并向應(yīng)用方向轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要實(shí)例。 據(jù)有關(guān)資 料 記 載: 1969 年, 法 國 軍 部 科 研 實(shí) 驗(yàn) 室(L RBA ) 開始對磁懸浮軸承的研究; 1972 年,將第一個(gè)磁懸浮軸承用于衛(wèi)星導(dǎo)向輪的支撐上, 從而揭開了磁懸浮軸承發(fā)展的序幕。 此后, 磁懸浮軸承很快被應(yīng)用到國防、 航天等各個(gè)領(lǐng)域。 美國在 1983年11月搭載于航天飛機(jī)上的歐洲空間試驗(yàn)倉里采用了磁懸浮軸承真空泵; 日本將磁懸浮軸承

4、列為 80 年代新的加工技術(shù)之一, 1984 年, S2M 公司與日本精工電子工業(yè)公司聯(lián)合成立了日本電磁軸承公司, 在日本生產(chǎn)、銷售渦輪分子泵和機(jī)床電磁主軸等。 經(jīng)過 30 多年的發(fā)展, 磁懸浮軸承在國外的應(yīng)用場合進(jìn)一步擴(kuò)大, 從應(yīng)用角度看,在高速旋轉(zhuǎn)和相關(guān)高精度的應(yīng)用場合磁懸浮軸承具有極大的優(yōu)勢并已逐漸成為應(yīng)用研究的主流。2、 磁懸浮軸承的工作原理磁懸浮軸承是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電耦合系統(tǒng)。在早期的研究過程中, 它由機(jī)械系統(tǒng)控制系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)組成。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的智能化提供了條件, 將計(jì)算機(jī)加到系統(tǒng)中得到磁懸浮軸承系統(tǒng)。 在這個(gè)系統(tǒng)中, 利用計(jì)算機(jī)可以更方便地從外界拾取信號, 并對

5、其進(jìn)行智能處理, 實(shí)現(xiàn)軸承的穩(wěn)定運(yùn)行與控制。機(jī)械系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子和定子組成 ( 徑向軸承結(jié)構(gòu)如圖 1,推力軸承結(jié)構(gòu)如圖 2) , 通常它們都是由鐵磁疊片構(gòu)成的。 圖 1徑向軸承結(jié)構(gòu)簡圖轉(zhuǎn)子疊片裝在軸徑上, 定子疊片上開有槽, 并纏繞著線圈以提供磁力?？刂葡到y(tǒng)指控制轉(zhuǎn)子位置的電氣系統(tǒng),簡單的控制系統(tǒng)由傳感器、控制器和功率放大器組成 ( 如圖 3) 。 圖 3軸承控制系統(tǒng)簡圖傳感器: 即檢測元件, 是磁懸浮軸承的重要組成部分, 位置傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子的偏移情況, 速度傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)速度; 控制器: 是個(gè)整個(gè)磁懸浮軸承的核心, 其性能決定了磁懸浮軸承的好壞, 其作用是對傳感器檢測到的位置偏差信號

6、進(jìn)行適度的運(yùn)算, 使得轉(zhuǎn)子有高精度的定位,在外力的干擾作用下能通過迅速而恰當(dāng)?shù)碾娏髯兓罐D(zhuǎn)子回到基準(zhǔn)位置; 功率放大器: 其作用是向電磁鐵提供產(chǎn)生電磁力所需的電流。磁懸浮軸承工作的基本原理: 通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子的軸偏差信號, 將該信號送入控制器, 通過功率放大器控制電磁鐵中的電流, 從而產(chǎn)生電磁力的變化使轉(zhuǎn)子懸浮于規(guī)定的位置。三、磁懸浮軸承的分類 磁懸浮軸承可以按磁懸浮方式和結(jié)構(gòu)等多種方法來分類, 有很多類型。按懸浮方式可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式; 按結(jié)構(gòu)可分為立式、臥式、內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型; 按作用力可分為吸引式和排斥式; 按接觸方式可分為完全非接觸型和部分接觸型; 按電磁鐵類型可分為超導(dǎo)式、

7、交流控制式和直流控制式. 目前, 在磁懸浮軸承研究領(lǐng)域主要以主動(dòng)的直流控制式磁懸浮軸承為研究對象. 圖 4 為主動(dòng)的直流控制式磁懸浮軸承的工作原理示意圖.需要指出的是: 與主動(dòng)磁懸浮軸承相比,被動(dòng)磁懸浮軸承具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單, 并在無控制環(huán)節(jié)的情況下即可穩(wěn)定. 但是它不能產(chǎn)生阻尼, 亦即缺少像機(jī)械阻尼或像主動(dòng)軸承那樣的附加手段, 因此這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定域是很小的, 外界干擾的小變化也會(huì)使它趨于不穩(wěn)定。 圖 4主動(dòng)磁懸浮軸承工作原理示意4、 磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)與其它軸承相比，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在無機(jī)械接觸和特性可控制兩個(gè)方面。4.1 無機(jī)械接觸方面的優(yōu)點(diǎn)無機(jī)械接觸，因而無磨損，其壽命實(shí)際上是控制電路元器件的

8、壽命，比接觸式軸承壽命長得多：無須潤滑，可省去泵、管道、過濾器、密封元件，也不會(huì)因潤滑劑而污染環(huán)境，因此特別適合于真空技術(shù)和無菌車間等超凈環(huán)境使用：軸承功耗低，僅是傳統(tǒng)軸承的1/51/20：允許轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速只受轉(zhuǎn)子材料承受離心力的強(qiáng)度限制，這為設(shè)計(jì)具有全新結(jié)構(gòu)的大功率機(jī)器提供了可能。4.2 特性可控制帶來的優(yōu)點(diǎn)磁浮軸承的動(dòng)態(tài)特性可控制、優(yōu)化，其動(dòng)態(tài)性能主要取決于所用控制規(guī)律，這樣可使剛度、阻尼等與軸承的工作環(huán)境甚至運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，可使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)：轉(zhuǎn)子的控制精度，如轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)精度，主要取決于控制環(huán)節(jié)中信號的測量精度，不受其它因素影響：便于對機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線診斷和監(jiān)控，提高系

9、統(tǒng)的穩(wěn)定性：它不僅可支承轉(zhuǎn)子、阻尼振動(dòng)和穩(wěn)定轉(zhuǎn)子，而且還可作為激振器使用，利用激振信號和響應(yīng)信號可以識別一些尚屬未知的轉(zhuǎn)子特性。當(dāng)然，磁浮軸承也有不足之處，主要是必須外加控制裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高(不過已看到了大幅降低成本的前景)。 五、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1、國外的研究現(xiàn)狀 目前在國外研究比較活躍的科研院校有瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院、美國維吉尼亞大學(xué)、美國的NASA、馬里蘭大學(xué)、日本東京大學(xué)和千葉大學(xué)等。在企業(yè)方面,西方國家已有幾十家公司在生產(chǎn)與磁懸浮軸承相關(guān)的產(chǎn)品,并且已經(jīng)有公司進(jìn)軍中國市場,在制造磁懸浮軸承產(chǎn)品方面,國外主要有瑞士的Mecos、法國的S2M公司(已被瑞典的SKF公司收購)和IBAG

10、公司、以及CALNETIX公司、加拿大的RE-VOLVE公司、芬蘭ABS公司、德國的LEVITEC公司、日本的精工、俄羅斯的OKBM公司等。已有超過幾十萬臺(tái)電磁懸浮軸承成功地應(yīng)用在了水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等300多個(gè)領(lǐng)域,并且仍在不斷探索中。具有23年磁懸浮軸承設(shè)計(jì)歷史的Mecos公司,其最新發(fā)布的透平機(jī)系列產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)如下:透平二氧化碳空氣循環(huán)鼓風(fēng)機(jī),軸承直徑48mm,轉(zhuǎn)子質(zhì)量3.6kg,轉(zhuǎn)速54000r/min,電機(jī)功率12kW。透平發(fā)電機(jī),軸承直徑110mm,轉(zhuǎn)子質(zhì)量110kg,轉(zhuǎn)速32000r/min,電機(jī)功率450kW。透平增壓菜,轉(zhuǎn)速24000r/min,電機(jī)功率800W。透平分子泵,

11、轉(zhuǎn)速為24000-50000r/min,轉(zhuǎn)子功率達(dá)到1400kWt30SKF公司認(rèn)為磁浮軸承可達(dá)到更高的圓周速度,并在天然氣處理流程中直接運(yùn)行,是更簡單、更緊湊、無干氣密封的整合型壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的理想技術(shù)之選。所以已有超過700個(gè)渦輪機(jī)磁懸浮軸承在天然氣的上游、中游和下游中使用。在2011年,TA-T0IL公司與SKF簽署世界首臺(tái)海底天然氣磁懸浮壓縮機(jī)的合同,旨在使位于北海的Asgard氣田海底壓縮站在2014年投人運(yùn)行,之后將從氣田里提取更多的天然氣。市場上超過12000個(gè)的渦輪分子真空泵(主要用于半導(dǎo)體工業(yè))現(xiàn)在使用的是SKF提供的磁懸浮軸承系統(tǒng)組件4。而日本著名的日立公司早在1991年就與S

12、2M合作,并與1992年生產(chǎn)制造了第一臺(tái)磁懸浮離心壓縮機(jī)。芬蘭ABS公司的HST高速磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī),主要用于污水處理廠和工業(yè)低壓工藝。性能范圍:流量700-10000m3/h;升壓范圍:40125kPa,其最新推出的也是最先進(jìn)的HST40現(xiàn)在流量可達(dá)16000m3/h,而且壓力可變。它的優(yōu)勢體現(xiàn)在其效率,比目前市場上其它鼓風(fēng)機(jī)相比可高出10%。而日本川崎HST高速磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)有2500、6000、9000三個(gè)系列。其性能范圍:流量:80010600mVh;升壓范圍:40130kPa。2003年1月,麥克維爾空調(diào)公司在美國正式向全球發(fā)布了世界上第一臺(tái)采用磁懸浮離心式壓縮機(jī)150t水冷式冷水

13、機(jī)組WFC,并順利通過美國制冷空調(diào)與供暖協(xié)會(huì)認(rèn)證,作為世界領(lǐng)先水平的磁懸浮空調(diào),能達(dá)到67dB的超低運(yùn)行噪聲,而且不斷推出性能優(yōu)越的磁懸浮新產(chǎn)品。2013年,麥克維爾將正式向中國及亞太地區(qū)發(fā)布其第二代磁懸浮機(jī)組。2011年,美國江森自控正式在中國市場推出YMC2磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組。YMC2的制冷量為7001400kW,它集合了江森自控的最先進(jìn)的核心技術(shù)YMC2可以顯著提高機(jī)組的滿負(fù)荷和部分負(fù)荷效率,比常規(guī)離心式機(jī)組提高10%以上,實(shí)現(xiàn)卓越的全天候運(yùn)行效率。江森自控約克在磁懸浮離心機(jī)領(lǐng)域也是目前市場中唯一能夠做到3500kW的企業(yè)。綜上所述,國外磁懸浮軸承在風(fēng)機(jī)和栗類設(shè)備上技術(shù)比較成熟和先

14、進(jìn),產(chǎn)業(yè)化成熟,工藝也比較完善,取得了在多個(gè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。2、 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國在磁懸浮軸承相關(guān)領(lǐng)域的研究工作起步較晚,進(jìn)展較緩慢,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。不過相關(guān)研究一直在高校和企業(yè)中開展,并在理論分析方面取得了許多研究成果,產(chǎn)品應(yīng)用則剛剛起步。2005年8月,第一屆中國磁懸浮軸承學(xué)術(shù)會(huì)議在北京順利召開,2010年8月第12屆國際磁懸浮軸承學(xué)術(shù)會(huì)議由武漢理工大學(xué)、西安交通大學(xué)舉辦,匯集了國內(nèi)外各家磁懸浮軸承研究單位的近期研究成果和相關(guān)學(xué)科方面研究的最新進(jìn)展、動(dòng)向等,對推動(dòng)我國相關(guān)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)步有著重要的意義。西安交通大學(xué)磁懸浮技術(shù)科研人員認(rèn)為,基于國內(nèi)這些年的理論準(zhǔn)備和研究積累,磁懸浮軸承

15、的技術(shù)發(fā)展不存在實(shí)質(zhì)性的困難?。同時(shí)我國掌握了有關(guān)磁懸浮軸承的許多關(guān)鍵技術(shù),很多都是國際上的首創(chuàng),并且被國際上其他相關(guān)單位采用。清華大學(xué)作為我國最早從事磁懸浮軸承研究的單位之一,其磁浮軸承研究巳基本脫離了實(shí)驗(yàn)室階段,2004年,趙鴻賓教授所在的機(jī)電與控制實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了數(shù)控高速磁軸承轉(zhuǎn)速近50000r/min,回轉(zhuǎn)精度1這些成績在國內(nèi)均屬首創(chuàng),并且自行研制的磁懸浮軸承已經(jīng)被應(yīng)用在WMW高溫氣冷堆氨氣透平發(fā)電項(xiàng)目上。該透平壓縮機(jī)的功率可以達(dá)到2500kW,其工作轉(zhuǎn)速為15000r/min9。2008年,清華大學(xué)與浙江飛旋科技有限公司合作研發(fā)的基于交叉反饋控制的FS450型分子泵磁懸浮軸承是我國第一個(gè)

16、成功應(yīng)用于磁懸浮軸承技術(shù)的產(chǎn)品。這一技術(shù)的突破結(jié)束了國外的長期壟斷,是繼法國、德國、美國、加拿大等少數(shù)發(fā)達(dá)國家之后,我國也成為擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的磁懸浮軸承制造技術(shù)的國家。南京航空航天大學(xué)是目前國內(nèi)磁懸浮軸承研究領(lǐng)域中較活躍的單位之一,也是國內(nèi)電磁懸浮領(lǐng)域中研究成果較多的高校。2009年,由該校徐龍祥教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)、南京磁谷科技有限公司生產(chǎn)的國內(nèi)第一臺(tái)自主知識產(chǎn)權(quán)的磁懸浮鼓風(fēng)機(jī),額定轉(zhuǎn)速40000r/min,額定功率70kW,額定流量40m3/miii,額定升壓60kPa,在污水處理廠成功連續(xù)運(yùn)行,被科技部和環(huán)保部列入國家重點(diǎn)新產(chǎn)品計(jì)劃項(xiàng)目。并于2010下半年并投入量產(chǎn),其產(chǎn)品不僅可節(jié)能15%、降

17、耗80%以上,而且價(jià)格也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外同類產(chǎn)品。山東大學(xué)磁懸浮軸承工程技術(shù)研究中心與中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外心血管病醫(yī)院合作,經(jīng)過一年的攻關(guān),2009年成功研制出國內(nèi)首臺(tái)軸流式可控磁懸浮人工心臟栗樣機(jī),解決了軸流式磁懸浮人工心臟泵開發(fā)研究中的基礎(chǔ)難題12。由此大大延長了起搏器的壽命,同時(shí)對病人的壽命延長也是功不可沒。企業(yè)方面,2006年,中國第一臺(tái)磁懸浮中央空調(diào)在海爾問世。其磁懸浮中央空調(diào)巳經(jīng)成功地在多個(gè)建筑和工程項(xiàng)目上通過了長期穩(wěn)定的運(yùn)行考驗(yàn)，如:深圳招商地產(chǎn)總部辦公大樓、河南南陽龍鑫國際大酒店、洛陽凱芙建國酒店、世茂集團(tuán)北京世茂工三期項(xiàng)目、北京地鐵房山線、香港北大嶼山醫(yī)院等。 2009年,海爾研發(fā)出第二代磁懸浮離心機(jī)組;2010年底,海爾研發(fā)出中國第一臺(tái)風(fēng)冷磁懸浮機(jī)組;2011年,水源熱泵磁懸浮在海爾問世。2012年5月18日,海爾中央空調(diào)在青島舉行了磁懸浮變頻離心機(jī)應(yīng)用交流會(huì)并成立.國內(nèi)首個(gè)磁懸浮變頻離心機(jī)專家顧問委員會(huì),海爾顯然成為了這場中央空調(diào)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用新革命浪潮的主導(dǎo)者。國內(nèi)磁懸浮軸承技術(shù)