磁悬浮轴承的技术进展及发展趋势

1磁悬浮轴承的发展现状及应用研究一、磁悬浮技术概述磁悬浮，亦作磁浮，是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”，从而使物件不受引力束缚自由浮动，具有无接触、无摩擦、低能耗、低噪声、无需润滑、维护费用低、使用寿命长、高精度以及自动化程度高等优点。磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学等为一体的机电一体化综合性较强的高新技术，其研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1966年，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统，此后，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家为提高交通运输能力以适应经济发展需要加快筹划磁悬浮运输系统的开发。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展。至2012年世界上已有三种类型的磁悬浮，一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。第三种是中国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。磁悬浮技术应用范围及其广泛，涉及工业、民用及军事各个领域，磁悬浮产品涵盖高速精密电主轴、磁悬浮飞轮电池、磁悬浮人工心脏泵，磁悬浮火车、卫星、远程导弹的制2导与姿态控制，军事通讯用的UPS，航空发动机的高速转子，潜艇的振动控制与传动噪音，坦克、装甲车的动力储能、磁悬浮冶炼、搬运技术等。当前，国内外对磁悬浮技术的研究热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车，而应用最广泛的是磁悬浮轴承。二、磁悬浮轴承及其类型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、无润滑的、悬浮在空间的一种新型高性能轴承，其作为一种新颖的支撑部件,是继油润滑、气润滑之后轴承行业的又一次革命性变化,被誉为21世纪最有发展前景的高新技术之一。磁悬浮轴承的原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线平行，转子的重量能够固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，固定在特定运转轨道上。按照磁力的提供方式，磁悬浮轴承可分为三大类:（一）主动磁浮轴承(ActiveMagneticBearing，简称AMB)，轴承磁场是可控的，通过传感器检测转轴的位置，由控制系统对电磁铁电流进行主动控制来实现转轴的稳定悬浮。（二）被动磁浮轴承(PassiveMagneticBearing，简称PMB)，轴承部分自由度由超导磁体或永磁体来实现被动悬浮支承。（三）混合磁浮轴承(HybridMagneticBearing，简称HMB)，轴承的机械结构中既包含了可控的电磁铁，又包含了提供偏置磁场的超导磁体或永磁体。同时，按磁场力的来源分类，可以分为永久磁铁型、电3磁铁和永久磁铁混合型以及纯电磁铁型三种；按受控的自由度数可以分为单自由度型、二自由度型和五自由度型；按利用的磁场力类型可分为吸力型和斥力型。三、国内外研究现状（一）国外研究现状利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久，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，真正意义的磁悬浮研究是从本世纪初利用电磁相吸原理的磁悬浮车辆研究开始的。目前在国外磁悬浮轴承研究领域比较活跃的科研院校有瑞士联邦理工学院、美国的维吉尼亚大学和马里兰大学、英国的Sussex大学以及日本东京大学和千叶大学等。经过近30年的发展，目前国外磁悬浮轴承已经开始进入工业应用阶段。不仅将磁悬浮轴承应用于航天部门、核工业部门，而且已迅速应用到军事部门和基础工业部门的数百种不同的旋转或往复运动机械上，如卫星惯性飞轮、能量储存飞轮、姿态控制飞轮、火箭引擎透平泵、高速磨床、高速铣车、高速车床、高速电动机、离心机、透平压缩机和真空泵等。（二）国内研究现状我国在磁悬浮轴承领域的研究工作始于20世纪70年代，起步较晚，目前主要处于实验室研究阶段，产业化方面刚刚起步。以自主开发等方式在磁悬浮轴承方面做过大量研究工作的科研单位主要有清华大学、西安交通大学、上海大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、山东大学、国防科技大学、天津大学、南京航空航天大学、西安理工大学等。清华大学作为我国最早从事磁悬浮轴承研究的单位之4一。2004年实现了数控高速磁轴承转速近50000r/min，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。2008年,清华大学与浙江飞旋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,研制生产的国内第一台自主知识产权的磁悬浮鼓风机,额定转速达到40000r/min,额定功率70kW,在污水处理厂成功连续运行，并于2010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,2009年成功研制出国内首台轴流式可控磁悬浮人工心脏泵样机,解决了磁悬浮人工心脏泵开发研究中的基础性难题。四、磁悬浮轴承的工作原理及技术特点（一）工作原理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。磁悬浮轴承是一个复杂的机电耦合系统。若要求转子能稳定的悬浮在规定的位置上，就需对它的五个自由度进行控5制，这就要求有两个径向轴承和一个轴向轴承，构成一个完整的磁悬浮轴承系统。磁悬浮轴承由转子、传感器、控制器和执行器四部分组成，它们之间没有机械式的相互接触。电机的定子固定在壳体上，转子则悬浮着旋转。转子悬浮所必须的力由磁场提供。在这种磁悬浮的轴承支撑中，支撑转子的磁悬浮力由电流经电磁调解来控制，使转子可以悬浮并保持在所希望的位置处。通过这种电磁悬浮的轴承支撑使得转子的震动大大减少，甚至能平衡、补偿转子的动平衡，从而真正实现电泵无震动旋转。磁悬浮系统关键组件为：1.机械系统。机械系统由轴、轴承的定转子、电机的定转子和机座组成。径向轴承电磁铁（定子）采用导磁性能优良的硅钢片制作，轴向推力轴承以及推力盘部分用电工纯铁制做。轴承电磁铁及转子材料除了要有良好的磁性能外，还应足一定的机械性能。2.控制器。控制器是整个磁悬浮轴承的核心，其性能决定了磁悬浮轴承的好坏。它的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，而且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。3.位置传感器。磁悬浮系统的重要组成部分，用于检测转子的偏离位置，其要求是：非接触式；能够抑制噪声、磁场干扰；线性范围大、灵敏度高；稳定性好。（二）技术特点1.允许转子达到很高的转速。磁悬浮轴承的转子可以在超临界、每分钟数十万转的工况下运行，其圆周速度只受转子材料强度的限制。通常在相同的轴颈直径下，磁悬浮轴承6支承的转子能达到的转速比滚动轴承支承的转子大约高2倍，比滑动轴承支承的转子大约高3倍。2.摩擦功耗小。在10000r/min时，磁悬浮轴承的功耗大约只有流体动压润滑轴承的6％，滚动轴承的17％。3.维护成本低，寿命长。由于磁悬浮轴承是靠磁场力来悬浮轴颈，相对运动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，而电子元器件的可靠性在额定工作条件下大大高于机械零部件，所以磁悬浮轴承的寿命和可靠性均远高于传统轴承。4.无需润滑。不存在润滑剂对环境的污染。在真空、超净无菌室和禁止润滑剂介质污染的应用场合，磁悬浮轴承具有无可比拟的优势。在一般应用场合，由于省掉了润滑油的存储、过滤、冷却、循环等设施，在价格和占有空间位置上也具有较强的竞争优势。五、磁悬浮轴承应用现状（一）磁悬浮轴承应用领域由于磁悬浮轴承具有诸多优点,使得它在各个领域具有广泛的应用前景。在新能源领域,如飞轮储能系统(FESS)(又称飞轮电池或机电电池)；在机床领域,集机床主轴与电动机转子于一体的电主轴得到迅速发展,磁悬浮轴承电主轴以其高转速、长寿命等突出优点引起业内关注;在动力领域,如离心压缩机、分子涡流泵、汽轮发动机等大型设备上也得到广泛应用。同时，磁悬浮轴承还被广泛用于空间技术、核工业、军事领域、基础工业部门及其他高技术领域，其应用产品具有高速度、高精度、自动化、或低速重载、或真空洁净环境且旋转或往复运动等特点，应用较多的产品如卫星导航系统中的飞轮、陀螺仪，航空发动机、高性能的真空泵、7压缩机、发电机、离心泵、分子泵、低温泵、涡轮机以及数控机床、高速铣床、高精度磨床、机器人、大型水轮发动机、人工心脏泵、污水处理装置等。表1能够采用磁悬浮轴承的旋转机械1空间工业机床工业轻工业重工业1.人造卫星的惯性和陀螺飞轮2.人造卫星图片复印设备3.低温透平泵4.航空发动机1.高速加工电主轴2.高精度工件夹3.大直径磨床4.高精度车床1.透平分子真空泵2.X射线管3.离心机4.转动反射镜主轴5.小型低温压缩机1.压缩机和鼓风机2.泵3.膨胀机和能量回收透平机4.汽轮机和燃气轮机5.发电机和电动机1.磁悬浮轴承在飞轮电池中的应用磁悬浮飞轮是一种机电一体化的高技术产品,其主要关键技术包括磁轴承结构设计与控制技术。现代飞轮电池使用复合材料飞轮和主动被动组合磁悬浮支承系统，支承高速旋转的飞轮转子，已实现了飞轮转子转速60000r/min以上,放电深度达75%以上,可用能量密度大约为44Wh/kg，最高的已达到944Wh/kg,而镍氢电池的能量密度仅有11-13.2Wh/kg,放电最大深度不能超过40%。飞轮电池的优势十分明显，市场空间相当广阔。在电力工业方面,能用于电力质量和电网负载调节;在汽车工业方面，用于电动汽车和一些军事车辆的动力源,部分或完全取代内燃机;在国防工业方面,既能1旋转机械是指主要依靠旋转动作完成特定功能的机械，典型的旋转机械有汽轮机、燃气轮机、离心式和轴流式压缩机、风机、泵、水轮机、发电机和航空发动机等，广泛应用于电力、石化、冶金和航空航天等部门。8用于卫星和航天器的动力源,又能用于电磁炮和电热化学炮的发射助力器等。2.磁悬浮轴承在电主轴中的应用电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术,而轴承决定了电主轴所能达到的最高转速，为使电主轴在高转速下延长寿命,开展了气浮轴承电主轴、静压轴承电主轴和磁悬浮轴承电主轴方面的研究,其中磁悬浮轴承电主轴由于具有高转速、长寿命等突出优点引起业内关注。法国、德国、日本等国家已有数百台机床成功应用了磁悬浮轴承电主轴，如SKF公司、IBAG公司、S2M公司以及SEIKO公司都有磁悬浮轴承电主轴出售。随着控制技术、材料科学、电力电子技术等的飞速发展,磁悬浮轴承性能的提高和成本不断降低,磁悬浮轴承会越来越广泛地应用到工业中去。3.磁悬浮轴承在多电发动机中的应用多电发动机(More-electricGasTurbineEngine)是未来高性能、高推重比的新概念航空发动机,美欧从20世纪90年代以来相继开展了预研，并逐步进入工程应用。用磁悬浮轴承取代传统的滚动轴承是多电发动机的关键技术之一。采用磁悬浮轴承是取消传统发动机传动、润滑系统的前提条件,将简化发动机的多元能量形式架构,简化发动机的轴承腔、密封装置和密封增压系统结构,从而改善发动机工作可靠性、节省运行和维护成本。国际上已将磁悬浮轴承列为21世纪先进航空发动机的关键高新技术之一。目前欧共体和美国投入了大量的资金,期望占领这个航空高技术领域的制高点。（二）磁悬浮轴承主要企业91.国外主要企业目前，磁悬浮轴承技术在国际上已逐渐走向成熟，已有几十家与磁悬浮轴