磁浮軸承可行性分析報(bào)告

一、概述

磁浮軸承是利用磁力實(shí)現(xiàn)無接觸的新型軸承，具有無接觸、不需要潤滑和密封、振動(dòng)小、

使用壽命長、維護(hù)費(fèi)用低等一系列優(yōu)良品質(zhì)，屬于高技術(shù)領(lǐng)域。軸承是機(jī)電工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之

一，其性能的好壞直接影響到機(jī)電產(chǎn)品(如超高速超精密加工機(jī)床)的科技含量及其在國際上

的競爭力。本項(xiàng)目不僅要可以在國內(nèi)建立生產(chǎn)磁浮軸承的高技術(shù)企業(yè)，填補(bǔ)國內(nèi)在這方面的空

白，而且可以帶動(dòng)機(jī)電行業(yè)的很多相關(guān)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。此外，

本項(xiàng)目具有重要的國防應(yīng)用價(jià)值，可為我國研制以磁軸承支承的新?代航空發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備先進(jìn)的

科學(xué)技術(shù)。

磁浮軸承的基本原理

磁浮軸承從原理上可分為兩種，?種是主動(dòng)磁浮軸承(activemagneticbearing),簡

稱AMB：另一種是被動(dòng)磁浮軸承(passivemagneticbearing),簡稱PMB。由于前者具有較

好的性能，它在工業(yè)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這里介紹的是主動(dòng)磁浮軸承。

磁浮物承系統(tǒng)主要由被懸浮物體、傳感器、控制器和執(zhí)行器四大部分組成。其中執(zhí)行器包

括電磁鐵和功率放大器兩部分。下圖是一個(gè)簡單的磁浮軸承系統(tǒng)，電磁鐵繞組上的電流為I,

它對被懸浮物體產(chǎn)生的吸力和被懸浮物體本身的重力mg相平衡，被懸浮物體處于懸浮的平衡

位置，這個(gè)位置也稱為參考位置。假設(shè)在參考位置上，被懸浮物體受到一個(gè)向下的擾動(dòng)，它就

會(huì)偏離其參考位置向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)傳感器檢測出被懸浮物為偏離其參考位置的位移，控制器將

這一位移信號變換成控制信號，功率放大器使流過電磁繞組上的電流變大，因此，電磁鐵的吸

力也變大了，從而驅(qū)動(dòng)被懸浮物體返回到原來的平衡位置e如果被懸浮物體受到一個(gè)相上的擾

動(dòng)并向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)控制器和功率放大器使流過電磁場鐵繞組上的電流變小，因此，電磁鐵的

吸力也變小了，被懸浮物體也能返回到原來的平衡位置。因此，不論被懸浮物體受到向上或向

下的擾動(dòng)，下圖中的球狀被懸浮物體始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

控制器

電磁鐵

被懸浮物體

被懸浮物體的工作原理示意圖

磁懸浮軸承

MA075E

摘要

磁懸浮軸承(MagneticBearing)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、能耗低、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、

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。

目錄

1磁懸浮軸承概述

2磁懸浮軸承工作原理

1磁懸浮軸承概述

利用磁力使物體處于無接觸懸浮狀態(tài)的設(shè)想由來己久，但實(shí)現(xiàn)

起來并不容易。早在1842年，Earnshow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，Kcnpcr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年弋中期對磁懸浮技術(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(LRBA)

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

輪的支撐匕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T作原理

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)和

控

E2

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

軸承圖1徑向軸承結(jié)構(gòu)簡圖結(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。轉(zhuǎn)子疊片裝在軸

上，定子疊片上開有糟，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）o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，速度芍感器用于檢測轉(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)?/p>

電流變化使轉(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。

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、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圖

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化示范應(yīng)用階段，中國與國外技術(shù)水平差距在十年以上

飛輪儲(chǔ)能的工作原理是，首先將外界輸入的電能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能

儲(chǔ)存起來；當(dāng)外界需要電的時(shí)候，通過發(fā)電機(jī)將匕輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，輸出到外

部負(fù)載；空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要求能量損耗非常小。

（圖片由西南交通大學(xué)超導(dǎo)技術(shù)研究所研究人員提供）

【財(cái)新網(wǎng)】（記者于達(dá)維30日發(fā)自上海）從我們小時(shí)候玩過的回力玩具汽車，到如今F1賽

車上的動(dòng)能回收系統(tǒng)，高速旋轉(zhuǎn)飛輪這種既傳統(tǒng)又陌生的儲(chǔ)能方式，正步入商業(yè)化應(yīng)用的階段。

7月初，在南非世界杯上大出風(fēng)頭的保定英利集團(tuán)透露了下一個(gè)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)和高產(chǎn)出項(xiàng)

目一飛輪儲(chǔ)能設(shè)備，預(yù)計(jì)年底推出第一批樣機(jī)，“十二五’期間將生產(chǎn)至少45萬臺(tái)。

當(dāng)然，一個(gè)不容忽視的現(xiàn)實(shí)是，即便國際上最先進(jìn)的飛輪儲(chǔ)能設(shè)備，其儲(chǔ)能時(shí)間也僅有十幾

分鐘。英利的此番投入，恐怕不會(huì)像世界杯上的廣告牌一樣，取得立竿見影的效果。

F1賽車場寵兒

所謂飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來。需要能量時(shí)，飛

輪減速運(yùn)行，將存儲(chǔ)的能量釋放出來。

早在上個(gè)世紀(jì)50年代，瑞士歐瑞康公司就開發(fā)出飛輪儲(chǔ)能巴士。但此后三四十年間，由于

高速旋轉(zhuǎn)飛輪驅(qū)動(dòng)、飛輪相承摩擦等問題都難以解決，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展非常緩慢。

據(jù)清華大學(xué)工程物理系戴興建教授介紹，以不間斷供電備用電源（UPS）為突破點(diǎn)，飛輪

儲(chǔ)能設(shè)備從2000年開始實(shí)現(xiàn)商業(yè)示范應(yīng)用。

特別地，超導(dǎo)技術(shù)和高強(qiáng)度材料為飛輪儲(chǔ)能提供了支撐。西南交通大學(xué)超導(dǎo)技術(shù)研究所林群

煦博士說，高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承具有旋轉(zhuǎn)損耗小、無需控制即可實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮等優(yōu)點(diǎn)。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：儲(chǔ)存能量用的轉(zhuǎn)子分統(tǒng)、支撐轉(zhuǎn)子的軸承系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)換能

量和功率的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。與其他形式的儲(chǔ)能技術(shù)相比，飛輪儲(chǔ)能具有使用壽命長、儲(chǔ)能密度高、

不受充放電次數(shù)限制、安裝維護(hù)方便、對環(huán)境危害小等優(yōu)點(diǎn)。

代理美國艾泰沃（activepower）公司產(chǎn)品的北京中誠安源電力技術(shù)有限公司尹志強(qiáng)總經(jīng)理

說，現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)飛輪儲(chǔ)能商用的，包括美國艾泰沃和法國索克曼（Socomec）等公司。艾泰

沃用精鋼材質(zhì)，其轉(zhuǎn)速大概是每分鐘7700轉(zhuǎn)：索克曼用破纖維材質(zhì)，轉(zhuǎn)速接近每分鐘3萬轉(zhuǎn)。

上海世博會(huì)和即將召開的廣州亞運(yùn)會(huì)上均采用了艾泰沃的飛輪發(fā)電車。

據(jù)尹志強(qiáng)分析，一家三甲醫(yī)院采用蓄電池可能要花六七十萬元人民幣，用飛輪UPS大概100

多萬元，但使用和維護(hù)成本低得多，20年內(nèi)不需要任何更換。

目前，德國ATZ公司、美國波音公司、日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）等都在研

制容量更大、功率更高的飛輪系統(tǒng)。

在上一賽季的世界一級方程式汽車（F1）大賽中，允許各個(gè)車隊(duì)采用動(dòng)能回收系統(tǒng)。這種

系統(tǒng)中將剎車時(shí)的動(dòng)能回收后，可以選擇儲(chǔ)存在飛輪或電池，并在6秒內(nèi)釋放出相當(dāng)于80匹馬

力的能量，為賽車助力。當(dāng)時(shí)的國際汽聯(lián)主席科斯?莫斯利（MaxMosley）表示，鋰電池更適合

于長期的能量儲(chǔ)存，飛輪則適合吸收汽車大力制動(dòng)下釋放的巨大能量流。

助力風(fēng)能輸出

在全球風(fēng)電場開發(fā)的熱潮中，飛輪儲(chǔ)能尋找到了新的發(fā)揮空間。

風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性特點(diǎn)，風(fēng)電場輸送到電網(wǎng)的能量也是隨機(jī)波動(dòng)的，給電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度、

系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來巨大壓力，這也成為制約風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的主要因素之一。

北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院院長房建成教授說，飛輪儲(chǔ)能可以在很大程度h

解決新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性問題，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和太陽能發(fā)電等新能源的平滑輸出，方便可靠

地并入常規(guī)電網(wǎng)。

林群煦博士說，風(fēng)能發(fā)電功率不穩(wěn)定，可以用飛輪儲(chǔ)能將過多的能量儲(chǔ)存起來，能量過少的

時(shí)候則釋放出來，作為一個(gè)整體系統(tǒng)，對外輸出的功率就是恒定的。

根據(jù)四川大學(xué)電氣信息學(xué)院湯凡博士的模擬結(jié)果，加入飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)后，當(dāng)風(fēng)電場功率處于

波峰時(shí)?，飛輪加速旋轉(zhuǎn)，將波峰能量以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存起來，當(dāng)風(fēng)電場功率處于波谷時(shí)將能量

釋放出來，從而提高供電質(zhì)量。

目前，國外有公司或研究機(jī)構(gòu)已嘗試將飛輪儲(chǔ)能引入風(fēng)力發(fā)電。其中，德國琵樂公司（Piller）

的飛輪儲(chǔ)能具備在15秒內(nèi)提供1.65兆瓦電力的能力；美國Beaconpower公司（BCON）的

20兆瓦K輪儲(chǔ)能系統(tǒng)已在組約州史蒂芬鎮(zhèn)開建，用來配合當(dāng)?shù)仫L(fēng)場，建成后可以滿足紐約州10%

的儲(chǔ)能需要。

當(dāng)然，飛輪儲(chǔ)能還具有很大的局限性。中國電力科學(xué)研究院副總工程師胡學(xué)浩表示，疝于電

網(wǎng)來說，可根據(jù)時(shí)間長短將儲(chǔ)能可分為三大塊。時(shí)間最長的是能源管理，包括抽水蓄能電站、壓

縮空氣儲(chǔ)能和蓄電池；時(shí)「瓦稍短的是過渡能源，通?？啃铍姵亟鉀Q；時(shí)間最短的則是超級電容和

飛輪。

他舉例說，電動(dòng)汽車用鋰電池充電，但啟動(dòng)時(shí)需要的電壓非常大，在這一瞬間就用超級電容，

“沒有它不行，只有它也不行?！?/p>

7月初，財(cái)新記者受到德國博世基金會(huì)邀請，到意大利都靈參加歐洲開放科學(xué)論壇（ESOF）

時(shí)，也感受到了各國科學(xué)家對飛輪儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)的熱情。據(jù)參會(huì)的科學(xué)家表示，接納可再生能

源的智能電網(wǎng)中，儲(chǔ)能設(shè)備的投資將占到將近一半。

西班牙巴塞羅那材料研究所的瑪利亞?羅莎?帕拉辛（MariaRosaPalacin）說，￡輪和超級

電容的儲(chǔ)能時(shí)間最短，其主要用途是改善電能質(zhì)量和提供不間斷電源（UPS）。

一般而言，飛輪儲(chǔ)能需要電能的持續(xù)輸入，以維持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒定。一旦斷電，飛輪儲(chǔ)能通

常只能維持一兩分鐘。這也意味著，飛輪儲(chǔ)能優(yōu)勢不在于時(shí)間的長短，而是充放的快捷。

與超級電容、電池等儲(chǔ)能裝置相比，飛輪儲(chǔ)能是最昂費(fèi)的。正因?yàn)榇?，飛輪儲(chǔ)能在太空飛行

器反而獲得了更多的應(yīng)用。比如，國際空間站上有K輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，中國也有儲(chǔ)能和陀螺定位兩用

飛輪，美國還推出了飛輪儲(chǔ)能UPS和應(yīng)急供電車。

中國力量

如果不是英利的K輪儲(chǔ)能計(jì)劃被媒體報(bào)道，很多公眾和投資人或許還不知道，中國也有一些

機(jī)構(gòu)在從事相關(guān)研究。

據(jù)戴興建教授介紹，早在上世紀(jì)80年代初期，中國科學(xué)院電工研究所就開始了飛輪儲(chǔ)能系

統(tǒng)的探索，但之后國內(nèi)沒有開展實(shí)質(zhì)性的研究工作。直到上世紀(jì)90年代中期，在國外技術(shù)進(jìn)步

的影響下，國內(nèi)的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)才逐步興起。

其中，清華大學(xué)在1997年首次實(shí)