主動磁軸承工作原理

磁軸承是一種新型高性能軸承，在磁懸浮領(lǐng)域中,應(yīng)用最廣泛的就是主動磁軸承。圖1表明了一個(gè)簡單磁軸承的組成部分及其功能。傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的位移,作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信號,然后功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流,控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力從而使轉(zhuǎn)子維持其懸浮位置不變。懸浮系統(tǒng)的剛度阻尼以及穩(wěn)定性由控制規(guī)律決定。

圖1主動磁軸承的工作原理

剛度和阻尼可在物理極限范圍內(nèi)廣泛地變動,亦可根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié),甚至可以在運(yùn)行過程中加以改變。

一個(gè)實(shí)際的轉(zhuǎn)子需要多個(gè)磁鐵組成,如圖2所示，這些磁鐵由一個(gè)多變量控制器相互聯(lián)接在一起,相應(yīng)的硬件示于圖3中。轉(zhuǎn)子長約0. 8m,質(zhì)量為12kg，用一個(gè)CCD傳感器測量位移并能為微機(jī)控制器直接生成數(shù)字信號。該示范轉(zhuǎn)子的氣隙相當(dāng)大,為10mm。作為一種新穎的尚未普遍采用的機(jī)器部件，磁軸承屬于機(jī)械電子這一的產(chǎn)品。

圖2轉(zhuǎn)子在一個(gè)平面內(nèi)的支承截圖

圖3左、右磁軸承支承的轉(zhuǎn)子（中間驅(qū)動）

支承轉(zhuǎn)子的主動磁軸承特點(diǎn)

下面介紹的是支承轉(zhuǎn)子磁軸承的特殊性能，正是由于它具有這些特殊的性能，才使得磁軸承在應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞。

1、由于磁浮軸承具有無接觸、無潤滑以及無磨損等特點(diǎn),它可用于真空技術(shù)、凈室及無菌車間以及腐蝕性介質(zhì)或非常純凈介質(zhì)的傳輸。軸承氣隙一般只有幾十分之一毫米,但在特殊情況下氣隙可達(dá)到20mm,此時(shí)軸承的承載能力非常小。

2、允許轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速只受材料強(qiáng)度的限制。速度的不斷提高,為設(shè)計(jì)具有全新結(jié)構(gòu)的大功率機(jī)器提供了可能性。實(shí)際上,如果采用能承受高應(yīng)力并同時(shí)具有優(yōu)良的軟磁特性的非晶態(tài)金屬,圓周速度大約可達(dá)350m/s。由于不需要潤滑與密封.而且軸頸直徑可以取得比較大,給設(shè)計(jì)帶來了很多優(yōu)越性，如軸的剛性更大且對振動不敏感。

3、軸承的功耗低，僅是傳統(tǒng)軸承功耗的1/5-1/20，降低了運(yùn)行費(fèi)用。

4、由于沒有機(jī)械磨損,不但維護(hù)費(fèi)用低而且工作壽命長,這也是目前在透平機(jī)械中不斷應(yīng)用磁軸承的主要原因。

5、磁軸承單位面積上的承載力(比載荷)取決于鐵磁材料和軸承磁鐵的設(shè)計(jì),大約為20N/cm2 ,也可達(dá)到40N/cm2。參考面積是軸承的橫截面積,因而軸承的最大承載能力主要是軸承體積的函數(shù)。

6、磁懸浮的動態(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內(nèi)使剛度和阻尼與軸承的工作環(huán)境甚至與運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)速相適應(yīng)。術(shù)語“剛度”和“阻尼”不僅包括傳統(tǒng)的靜態(tài)部分即彈簀和阻尼常數(shù),而且還包括與頻率有關(guān)的動剛度。這就使得人們有可能利用磁釉承進(jìn)行隔振,使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)地通過臨界轉(zhuǎn)速,甚至當(dāng)系統(tǒng)受到非守恒擾動時(shí)穩(wěn)定轉(zhuǎn)子。

7、轉(zhuǎn)子的控制精度,例如轉(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。例如，普通的電感傳感器的分辨率大約在0.01-0.001mm之間。

8、為了對磁軸承實(shí)施控制，需要對轉(zhuǎn)子的全部或部分狀態(tài)變量進(jìn)行測量。這些測量信號還可用于不平衡大小的評估和運(yùn)行工況的在線監(jiān)測,從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

9、磁軸承不僅可以支承轉(zhuǎn)子.阻尼振動和穩(wěn)定轉(zhuǎn)子，而且還可作為激振器使用。對轉(zhuǎn)子施加激振,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,也必須對磁軸承的缺點(diǎn)有所提及,現(xiàn)歸納如下:

1、由于磁軸承尚處于發(fā)展階段,不能形成批量生產(chǎn)，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,從而導(dǎo)致磁軸承的價(jià)格極高。不過，已經(jīng)看到了大幅度降低成本的前景。

2、由于用戶尚不兒.設(shè)計(jì)磁軸承的基本知識,因此這項(xiàng)新技術(shù)不大容易被接受。

3、由于磁軸承是一項(xiàng)處F迅速發(fā)展中的新技術(shù)，目前還很難對它今后的應(yīng)用作出明確的評估,這種情況和計(jì)算機(jī)在應(yīng)用過程中所出現(xiàn)的局面頗有相似之處。

4、在一些特例中,雖然在安全性、可靠性、能耗以及最優(yōu)設(shè)計(jì)等方面取得了令人滿意的結(jié)果,但是,我們尚需努力對通用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。