磁悬浮轴承

     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, Ea rn show 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, Kenp er 申请了第一个磁悬浮

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

(L RBA ) 开始对磁悬浮轴承的研究; 1972 年,

将第一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。

      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                                                   图 1　径向轴承结构简图

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。

           图 3　轴承控制系统简图

　　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。

                                                                                                                 图 4　主动磁悬浮轴承工作原理示意图

        1国外研究应用现状

        目前在国外研究比较活跃的科研院校有瑞士联邦理工学院、美国维吉尼亚大学、美国的NASA、马里兰大学、日本东京大学和千叶大学等。在企业方面,西方国家已有几十家公司在生产与磁悬浮轴承相关的产品,并且已经有公司进军中国市场,在制造磁悬浮轴承产品方面,国外主要有瑞士的Mecos、法国的S2M公司(已被瑞典的SKF公司收购)和IBAG公司、以及CALNETIX公司、加拿大的RE-VOLVE公司、芬兰ABS公司、德国的LEVITEC公司、日本的精工、俄罗斯的OKBM公司等。已有超过几十万台电磁悬浮轴承成功地应用在了水泵、风机、压缩机等300多个领域,并且仍在不断探索中。具有23年磁悬浮轴承设计历史的Mecos公司,其最新发布的透平机系列产品技术指标如下:透平二氧化碳空气循环鼓风机,轴承直径48mm,转子质量3.6kg,转速54000r/min,电机功率12kW。透平发电机,轴承直径110mm,转子质量110kg,转速32000r/min,电机功率450kW。透平增压菜,转速24000r/min,电机功率800W。透平分子泵,转速为24000-50000r/min,转子功率达到1400kWt3]0SKF公司认为磁浮轴承可达到更高的圆周速度,并在天然气处理流程中直接运行,是更简单、更紧凑、无干气密封的整合型压缩机设计的理想技术之选。所以已有超过700个涡轮机磁悬浮轴承在天然气的上游、中游和下游中使用。在2011年,TA-T0IL公司与SKF签署世界首台海底天然气磁悬浮压缩机的合同,旨在使位于北海的Asgard气田海底压缩站在2014年投人运行,之后将从气田里提取更多的天然气。市场上超过12000个的涡轮分子真空泵(主要用于半导体工业)现在使用的是SKF提供的磁悬浮轴承系统组件[4]。而日本著名的日立公司早在1991年就与S2M合作,并与1992年生产制造了第一台磁悬浮离心压缩机。

        芬兰ABS公司的HST高速磁悬浮离心鼓风机,主要用于污水处理厂和工业低压工艺。性能范围:流量700-10000m3/h;升压范围:40~125kPa,其最新推出的也是最先进的HST40现在流量可达16000m3/h,而且压力可变。它的优势体现在其效率,比目前市场上其它鼓风机相比可高出10%。而日本川崎HST高速磁悬浮离心鼓风机有2500、6000、9000三个系列。其性能范围:流量:800~10600mVh;升压范围:40~130kPa。2003年1月,麦克维尔空调公司在美国正式向全球发布了世界上第一台采用磁悬浮离心式压缩机150t水冷式冷水机组WFC,并顺利通过美国制冷空调与供暖协会认证,作为世界领先水平的磁悬浮空调,能达到67dB的超低运行噪声,而且不断推出性能优越的磁悬浮新产品。2013年,麦克维尔将正式向中国及亚太地区发布其第二代磁悬浮机组。

        2011年,美国江森自控正式在中国市场推出YMC2磁悬浮变频离心式冷水机组。YMC2的制冷量为700~1400kW,它集合了江森自控的最先进的核心技术YMC2可以显著提高机组的满负荷和部分负荷效率,比常规离心式机组提高10%以上,实现卓越的全天候运行效率。江森自控约克在磁悬浮离心机领域也是目前市场中唯一能够做到3500kW的企业。综上所述,国外磁悬浮轴承在风机和栗类设备上技术比较成熟和先进,产业化成熟,工艺也比较完善,取得了在多个领域的大量应用实践经验。

        2国内研究应用现状

        我国在磁悬浮轴承相关领域的研究工作起步较晚,进展较缓慢,远远落后于国外。不过相关研究一直在高校和企业中开展,并在理论分析方面取得了许多研究成果,产品应用则刚刚起步。2005年8月,第一届中国磁悬浮轴承学术会议在北京顺利召开,2010年8月第12届国际磁悬浮轴承学术会议由武汉理工大学、西安交通大学举办,汇集了国内外各家磁悬浮轴承研究单位的近期研究成果和相关学科方面研究的最新进展、动向等,对推动我国相关先进技术进步有着重要的意义。

        西安交通大学磁悬浮技术科研人员认为,基于国内这些年的理论准备和研究积累,磁悬浮轴承的技术发展不存在实质性的困难?。同时我国掌握了有关磁悬浮轴承的许多关键技术,很多都是国际上的首创,并且被国际上其他相关单位采用。清华大学作为我国最早从事磁悬浮轴承研究的单位之一,其磁浮轴承研究巳基本脱离了实验室阶段,2004年,赵鸿宾教授所在的机电与控制实验室实现了数控高速磁轴承转速近50000r/min,回转精度1这些成绩在国内均属首创,并且自行研制的磁悬浮轴承已经被应用在WMW高温气冷堆氨气透平发电项目上。该透平压缩机的功率可以达到2500kW,其工作转速为15000r/min[9]。2008年,清华大学与浙江飞旋科技有限公司合作研发的基于交叉反馈控制的FS450型分子泵磁悬浮轴承是我国第一个成功应用于磁悬浮轴承技术的产品。这一技术的突破结束了国外的长期垄断,是继法国、德国、美国、加拿大等少数发达国家之后,我国也成为拥有自主知识产权的磁悬浮轴承制造技术的国家。

        南京航空航天大学是目前国内磁悬浮轴承研究领域中较活跃的单位之一,也是国内电磁悬浮领域中研究成果较多的高校。2009年,由该校徐龙祥教授团队研发、南京磁谷科技有限公司生产的国内第一台自主知识产权的磁悬浮鼓风机,额定转速40000r/min,额定功率70kW,额定流量40m3/miii,额定升压60kPa,在污水处理厂成功连续运行,被科技部和环保部列入国家重点新产品计划项目。并于2010下半年并投入量产,其产品不仅可节能15%、降耗80%以上,而且价格也远远低于国外同类产品。

        山东大学磁悬浮轴承工程技术研究中心与中国医学科学院阜外心血管病医院合作,经过一年的攻关,2009年成功研制出国内首台轴流式可控磁悬浮人工心脏栗样机,解决了轴流式磁悬浮人工心脏泵开发研究中的基础难题[12]。由此大大延长了起搏器的寿命,同时对病人的寿命延长也是功不可没。企业方面,2006年,中国第一台磁悬浮中央空调在海尔问世。其磁悬浮中央空调已经成功地在多个建筑和工程项目上通过了长期稳定的运行考验，如:深圳招商地产总部办公大楼、河南南阳龙鑫国际大酒店、洛阳凯芙建国酒店、世茂集团北京世茂工三期项目、北京地铁房山线、香港北大屿山医院等。

        2009年,海尔研发出第二代磁悬浮离心机组;2010年底,海尔研发出中国第一台风冷磁悬浮机组;2011年,水源热泵磁悬浮在海尔问世。2012年5月18日,海尔中央空调在青岛举行了磁悬浮变频离心机应用交流会并成立.国内首个磁悬浮变频离心机专家顾问委员会,海尔显然成为了这场中央空调产业应用新革命浪潮的主导者。

       国内磁悬浮轴承技术虽然在风机和泵类设备中实际应用中取得了重大突破,但是与国际比起来仍非常有限,市场产业化技术上最大的欠缺是工艺和可靠性问题。