磁軸承工作原理及分類分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u12831磁軸承工作原理及分類分析綜述 1118871.1磁軸承系統(tǒng)組成和工作原理 1192391.2磁軸承分類 1212391.2磁軸承特點及工業(yè)應用 2104481.3磁軸承結構及類型分析 325251.4單自由度磁軸承 4326681.5磁軸承研究及發(fā)展趨勢 41.1磁軸承系統(tǒng)組成和工作原理磁懸浮球系統(tǒng)由一個金屬球、位移傳感器、位置控制器、功率放大器和電磁鐵等組成。傳感器檢測出懸浮球偏移平衡位置的位移量x位置控制器將此位移變換成控制信號Id，送至功率放大器，再轉換成控制電流Ie，控制電流I。由偏置電流Io及控制電流I。組成，控制電流在執(zhí)行電磁鐵中產(chǎn)生磁吸力使懸浮球始終保持在懸浮的平衡位置。1.2磁軸承分類按照磁場力產(chǎn)生方式，磁懸浮軸承可分為三類：（1） 被動磁懸浮軸承被動磁懸浮軸承包括永磁磁懸浮軸承和超導磁懸浮軸承，分別利用永磁材料之間固有的磁場力以及超導材料在特定溫度下阻礙外磁場變化的特性實現(xiàn)轉子懸浮。被動磁懸浮軸承結構簡單，無功耗，但由于永磁體與超導體性能限制，承載力較小，在低速小功率場合應用比較廣泛。（2） 主動磁懸浮軸承主動磁懸浮軸承通常由位移傳感器、控制器、功率放大器和電磁鐵等部分組成。電磁鐵上繞制兩套線圈，一套通恒定的電流建立偏置磁場，一套通可調(diào)節(jié)的電流建立控制磁場，兩種磁場在氣隙處疊加產(chǎn)生磁通差，進而對轉軸產(chǎn)生磁場力，通過實時調(diào)節(jié)磁場力大小實現(xiàn)轉軸穩(wěn)定懸浮。主動磁懸浮軸承承載力大、控制靈活、剛度阻尼可調(diào)，在高速機床、飛輪儲能等領域應用廣泛。（3） 混合型磁懸浮軸承混合型磁懸浮軸承工作原理與主動磁懸浮軸承相似，區(qū)別在于主動磁懸浮軸承利用電磁線圈建立偏置磁場，而混合型磁懸浮軸承利用永磁材料建立偏置磁場。因此相對于主動磁懸浮軸承而言，節(jié)省了一套繞組，減小了本體和控制系統(tǒng)的體積，在對損耗、體積要求比較高的場合具有突出的優(yōu)勢，已成為當前磁懸浮軸承技術研究的一個重要方向。磁懸浮軸承實現(xiàn)了轉軸的無接觸運行，消除了機械磨損，壽命遠高于傳統(tǒng)軸承；無須密封和潤滑，省去泵、管道、過濾器以及密封元件，不會造成環(huán)境污染，適用于真空、超潔凈等場合；功耗低，效率高；轉子回轉速度高，其轉子速度僅受轉子材料限制。同時，磁懸浮軸承能實現(xiàn)對轉子的在線控制，軸承剛度和阻尼在一定范圍內(nèi)可自由調(diào)節(jié)，具有良好的動態(tài)性能。1.2磁軸承特點及工業(yè)應用(1)與傳統(tǒng)機械軸承以及氣、液浮軸承相比，磁軸承具有以下特點:消除了轉動部件與固定部件間的接觸摩擦，由此可以有效防止部件間的擦傷和磨損所引起的零部件損傷，減少維修，延長使用壽命，降低了運行費用，并且沒有摩擦，節(jié)約了能源，適合于高精密設備和控制執(zhí)行機構。不需潤滑劑，取消了潤滑油系統(tǒng)，避免了對環(huán)境的污染，適合于真空，超凈、無菌車間、各種超高溫和超低溫以及有害氣體等惡劣環(huán)境中使用。.允許轉子高速旋轉，其轉速幾乎只受材料強度的限制。速度的不斷提高，為設計具有全新結構的大功率機器提供了可能性，磁軸承的動態(tài)性能主要取決于所采用的控制規(guī)律，這樣就有可能在物理極限范圍內(nèi)使磁軸承的剛度和阻尼能適應不同的工況環(huán)境及運行狀態(tài)。轉子的控制精度，例如轉子的回轉精度，主要取決于控制環(huán)節(jié)中信號的測量，即傳感器的測量精度。同時，可以通過優(yōu)化控制算法、采用性能優(yōu)良的控制策略，對轉子的不平衡干擾力產(chǎn)生的誤差進行補償，來提高轉子的回轉精度。(2)磁軸承的主要缺點作為剛發(fā)展起來的高科技產(chǎn)品，磁軸承目前還有些不足之處；剛度較滾動軸承小。必須使用控制器;純電磁鐵型體積和重量均較大，危急情況下應變能力弱，須配備輔助軸承，以致結構復雜;另外磁軸承尚處于發(fā)展階段，不能形成大批量生產(chǎn)，而且結構復雜，從而導致磁軸承的價格很高，難以大面積推廣應用。(3)磁軸承的主要工業(yè)應用場合目前，磁軸承已經(jīng)在空間技術、物理學研究、機器人、機械加工等工業(yè)領域得到了應用?？臻g技術方面應用主要是用于衛(wèi)星飛輪和衛(wèi)星天線的定向，以及航空發(fā)動機轉子的支承等。其優(yōu)點是噪聲低、功耗小、壽命長、定位精度高。磁軸承在物理學研究領域中主要應用于粒子束分選器、渦流分子泵、高速離心機、X射線管及高真空計等，其優(yōu)點能適應于高真空、高溫、高壓等極端條件。應用磁軸承的智能機械手，由于定位準確，便于解決一些需要精確操作的安裝對中問題。而在超凈工作間使用裝有磁軸承的機器人，就可以避免普通軸承因磨損而造成的灰塵污染問題。磁軸承在機械加工領域中主要應用于磨床、銑床和鉆床的電主軸中。應用磁軸承的電主軸具有以下優(yōu)點，高轉速，金屬切削速度高，無磨損，可靠性高，振動引起的誤差小，加工精度高，可以對電主軸進行狀態(tài)監(jiān)測。在其它工業(yè)領域，磁軸承的應用有離心壓縮機、汽輪發(fā)電機等等。磁軸承不僅能懸浮輕型、高速轉子，亦能懸浮重達數(shù)十噸的轉子，因而對重工業(yè)和能源工業(yè)的大型設備也有廣泛的應用前景。圖1.2及圖1.3是兩種實際應用于密封泵、磁懸浮電機等場合的工業(yè)應用型磁軸承。1.3磁軸承結構及類型分析(1)按一個磁軸承對懸浮轉子施加的受控自由度數(shù)可分為單自由度(Degreeoffreedom)、二自由度和三自由度磁軸承。單自由度磁軸承是針對轉子軸向自由度的約束，二自由度磁軸承是對轉子徑向的約束，而三自由度磁軸承則對轉子軸向、徑向同時進行約束。由以上幾種磁軸承進行不同組合可構成四自由度、五自由度磁懸浮支承系統(tǒng)。(2)按懸浮磁力產(chǎn)生方式可將磁軸承分為被動磁軸承(Passivemagneticbearing)、主動磁軸承(Activemagneticbearing)與混合磁軸承(Hybridmagneticbearing)。在磁軸承中產(chǎn)生靜態(tài)懸浮力的磁通稱為偏置磁通，產(chǎn)生動態(tài)懸浮力以克服擾動或負載的磁通稱之為控制磁通。被動磁軸承是基于永磁體之間相互產(chǎn)生的斥力或引力而工作。純粹的被動型磁軸承無法在所有自由度上都能保證被支承物體的穩(wěn)定懸浮，且其承載能力低、阻尼特性差。主動磁軸承里電磁鐵須同時提供靜態(tài)偏置磁通及控制磁通。在穩(wěn)態(tài)懸浮時，要靠功率放大電路提供靜態(tài)偏置電流，因而功放損耗較大，散熱器體積較大?；旌洗泡S承是依靠永磁體來提供靜態(tài)偏置磁通，電磁鐵只須提供控制磁通，因而功放體積較小，結構緊湊，穩(wěn)態(tài)運行時耗能小，損耗低。(3)按磁極布置形式，磁通回路與轉子軸心線垂直(即磁極徑向布置)的稱之為異極磁軸承(Heteropolarmagneticbearing)，主要特點是加工容易，精度高，軸向尺寸較小，軸承單位重量產(chǎn)生的懸浮力較大，定子和轉子可采用疊片式結構以減小渦流損耗。其缺點是磁滯損耗大，特別是在高速旋轉時磁滯損耗更大。磁通回路與轉子軸心線平行(也即磁極軸向布置)的稱之為同極磁軸承(Homopolarmagneticbearing)，其主要特點是轉子始終在同一磁場極性下旋轉，磁滯損耗小。其缺點是軸向尺寸較長，空間利用率低，加工較困難。(4)磁軸承按照采用驅(qū)動電流性質(zhì)可分為直流磁軸承和交流磁軸承。直流磁軸承采用直流功率放大器進行功率驅(qū)動，一個自由度上需要兩個單極性直流功率放大器或一個雙極性直流功率放大器，直流功率放大器價格高，體積大，功耗大。交流磁軸承可采用三相逆變器進行功率驅(qū)動，由于三相逆變器技術已非常成熟并且價格便宜，因此在交流磁軸承中采用三相逆變器提供動驅(qū)動電流產(chǎn)生交變磁通，可降低功放成本，減少功放體積，降低功率損耗。1.4單自由度磁軸承單自由度主動磁軸承。磁軸承由定子鐵心、線圈繞組、轉子和吸力盤等組成。磁通分別從兩邊的定子鐵心與吸力盤及氣隙構成閉合回路。繞組通電時，調(diào)節(jié)控制電流使電磁鐵產(chǎn)生磁通，可調(diào)整吸力盤左面或右面磁場吸力的大小，吸力盤在左右兩面磁吸力作用下懸浮于中間平衡位置。單自由度混合磁軸承。靜態(tài)偏置磁通由永磁體提供，吸力盤在平衡位置時不需要控制電流，僅靠永磁體產(chǎn)生的偏置磁通作用下轉子懸浮于平衡位置，因而電磁鐵的安匝數(shù)大大減少，降低了功率放大器功耗，縮小了磁軸承體積，減輕了磁軸承重量。1.5磁軸承研究及發(fā)展趨勢磁軸承目前已經(jīng)在300多種不同的旋轉或往復運動機械上得到了應用，特別在軍工、空間領域和生命科學領域占有特殊的地位，隨著材料科學、檢測技術、計算機控制技術、數(shù)字信號處理技術等進一步發(fā)展，磁軸承結構與磁路研究上主要發(fā)展趨勢如下：(1)永磁偏置混合型磁軸承體積較小，承載能力較大，因而永磁偏置混合型磁軸承將會得到進一步的研究與開發(fā)；(2)采用三相逆變器提供三相功放驅(qū)動電流，可使功放結構簡單、成本降低，因而三相交流驅(qū)動型磁軸承將得到進一步研究；(3)超導磁軸承的研究，這種軸承采用超導材料，將會有效減少磁軸承的體積和能耗，大大提高軸承承載能力；(4)無傳感器磁軸承研究，這種磁軸承無需位移傳感器，通過測量電氣回路內(nèi)部信號來間接獲取轉子的位置信號，大大簡化了測量系統(tǒng)的結構并降低成本；(5)研究提高轉子動