磁浮轴承的技术进展
2009-09-08 来源：机械制造
摘要：介绍磁浮轴承的发展历程和国内外研究、应用简况以及磁浮轴承的分类和优点，指出磁浮轴承的发展趋势，旨在使这项新技术能得到进一步开发与应用。
1 磁悬浮技术的研究进展及应用简况
利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想早在一个多世纪以前就已产生。1842年，英国剑桥大学的恩休(Eamshaw) 就提出了磁悬浮概念，并证明了铁磁体不可能仅由另一个永久磁铁支承而在六个自由度上都保持自由、稳定的悬浮，必须至少有一个自由度被机械或其它约束所消除。经过近一个世纪的研究及其它科学技术的发展，1937年肯珀(Kemper)申请了一项有关悬浮支承的专利，提出了采用新的交通方法的可能，并作了一个试验，这正是稍后出现的磁悬浮列车的前身。同年，美国的Homes发表了“轴向磁悬浮”一文，Homes和其同事Beams等不仅研究出了一种磁悬浮系统的设计图，而且还将这一原理应用于超高速离心机上，这些都标志着磁悬浮技术的突破。
以后的20多年里，磁悬浮研究主要着重于由静磁场所稳定的被动悬浮，这时较有代表性的研究机构是美国麻省理工学院(MIT)的德雷伯实验室，主要研究飞机、潜艇、导弹的导航和制导系统中惯性元件的悬浮。由于被动力不可能使一个刚体在所有自由度上都稳定悬浮，因此，就需要采用主动方法即控制环节，以不断地使磁场适应刚体的运动，在20世纪50年代末就产生了主动磁悬浮技术。
1957年法国Hispon-Suiza公司提出了个完整的主动磁悬浮的技术设想，并取得了法国专利(French Patent，1186527)。20世纪60年代后，法国、日本、美国、前苏联等国家纷纷开始进行主动磁浮轴承的研究工作，这一时期的工作主要是为以后的实践打下理论基础。
20世纪70年代后，随着大规模集成电路、新型永磁材料的出现和科技发展的迫切需要，磁悬浮技术迅速发展，并在许多领域得到应用。如在交通运输业中，1977年德国航空公司研制的KOMET型磁悬浮列车，在一段专门实验轨道上时速达369km。机械工业领域中各种高速旋转机械包括各类机床、涡轮分子泵、高速离心机、涡轮发电机、液氦泵等，如法国SEP公司和瑞典SKF轴承公司共同投资建立的S2M公司(1976年) ，在1981年的Hanover 欧洲机床展览会上，首次推出B20/500磁浮主轴系统，并在35000r/min下进行了现场钻、铣削表演，该公司还在1983年的第5届欧洲机床展览会上展出了系列磁浮轴承和其支承的机床主轴部件。目前，国外高性能的机床普遍采用磁浮主轴系统，转速一般为40000～70000r/min，Z高转速为180000r/min的超高速磨床几年前就已投入应用：还有空间工业的真空分子泵、各种飞轮等，如1986年法国在SPOT地球观测卫星中安装了姿态控制用的磁浮飞轮等。
国内从上世纪80年代初开始研究磁浮轴承技术。1980年清华大学对磁浮轴承的稳定性作过研究：1981年上海微机电研究所研制过用于径向、轴向主轴的磁浮轴承：1986年广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行了研究。到目前为止，又有西安交大、浙江大学、国防科技大学、南京航空航天大学、扬州大学等十几家单位从事这方面的研究，但大都尚处于实验室阶段，落后国外约20年。
2 磁浮轴承的分类
从本质上说，任何一个磁悬浮问题，归纳起来就是一个磁浮轴承问题，其机理基本一致，研究方法也类似。磁浮轴承是利用磁场力将转子无接触地悬浮在空间的新型机电一体化轴承，它综合运用了机械学、转子动力学、电磁学、电子学、控制理论和计算机科学等多学科的知识，是一项高科技前沿技术。
按磁浮轴承的工作原理，可将其分为如下几类:
部分接触式——部分接触式磁浮轴承是利用磁浮轴承卸载或隔振，主要用于火箭发动机和离心分离机上。
完全无接触式——这一类又可细分为无控制型、交流控制型和直流控制型。
利用抗磁体和超导体有可能实现完全无控制式悬浮，但前者的悬浮重量太轻，难以实际应用，后者设备昂贵，应用场合受到限制。
交流控制式是采用LC共振电路，利用转子位移产生的阻抗变化，使电磁铁上线圈电流发生变化，从而保持平衡的一种方式。
直流控制式可分为轴向主动控制式(单轴主动控制) 、径向主动控制式(两轴或四轴主动控制) 和全方向主动控制式( 五轴主动控制) 。
此外，磁浮轴承还有许多分类方法，如按悬浮方式分为主动式和被动式，工业上主要应用主动式磁浮轴承(Active Magnetic Bearing，缩写为AMB ，有时简称磁轴承：按结构分有立式和卧式，内转子型或外转子型：按作用力分有吸引式和排斥式等。
3 磁浮轴承的优点
与其它轴承相比，其优点主要表现在无机械接触和特性可控制两个方面。
3.1 无机械接触方面的优点
无机械接触，因而无磨损，其寿命实际上是控制电路元器件的寿命，比接触式轴承寿命长得多：
无须润滑，可省去泵、管道、过滤器、密封元件，也不会因润滑剂而污染环境，因此特别适合于真空技术和无菌车间等超净环境使用：
轴承功耗低，仅是传统轴承的1/5～1/20：
允许转子高速旋转，其转速只受转子材料承受离心力的强度限制，这为设计具有全新结构的大功率机器提供了可能。
3.2 特性可控制带来的优点
磁浮轴承的动态特性可控制、优化，其动态性能主要取决于所用控制规律，这样可使刚度、阻尼等与轴承的工作环境甚至运行状态和转速相适应，可使转子平稳运转：
转子的控制精度，如转子的回转精度，主要取决于控制环节中信号的测量精度，不受其它因素影响：
便于对机器的运行状态进行在线诊断和监控，提高系统的稳定性：
它不仅可支承转子、阻尼振动和稳定转子，而且还可作为激振器使用，利用激振信号和响应信号可以识别一些尚属未知的转子特性。
当然，磁浮轴承也有不足之处，主要是必须外加控制装置，结构复杂，成本高(不过已看到了大幅降低成本的前景)。
4 磁浮轴承的发展趋势
目前，国外在磁浮轴承的研究工作上非常活跃。1988年在瑞士召开了届磁轴承会议，此后每两年召开一次，1991年美国航天管理局还召开了一次磁悬浮技术在航天技术中的应用讨论会。现在，美国、法国、瑞士、日本和我国等许多国家都在大力支持磁悬浮的研究工作，上的这些努力，必将大大推动磁浮轴承的发展和在工业上的应用。
磁浮轴承的发展将主要集中在以下几个方面:
超导磁浮轴承:这种轴承的体积很小，但却有很大的承载能力。但是，这方面的研究进展在很大程度上依赖于高温超导材料的发展，近几年很难有大的突破。
自检测磁浮轴承:传统的磁浮轴承需要传感器来检测信号，由于传感器的存在，使轴承的轴向尺寸变大，系统的动态性能降低，而且成本高，可靠性低。而自检测磁浮轴承，不需要位移传感器，可以简化结构并降低制造成本，在工业上具有很广阔的应用前景。
本项目(动力磁悬浮轴承系统的研究) 以及我们以前进行的航空科学基金资助项目(航空用无传感器磁悬浮轴承系统的研究，批准号为98C52025) 就是研究这种磁浮轴承的实际课题。
电磁和永磁混合的磁浮轴承:这种轴承主要是由永久磁铁产生的磁场取代电磁铁偏磁电流产生的磁场，以减轻磁浮轴承定子、功率放大器的体积和重量，在航空发动机上有很好的应用前景。
基于全局的优化设计:除了要让磁浮轴承自身以及转子系统满足相应的机械要求外，还应从系统的角度考虑磁浮轴承的稳定性、可靠性和经济性，以便为磁浮轴承的产品化创造一个更广阔的应用前景。
采用各种先进的控制器和功率放大器:为了达到更高的性能要求，控制环节在磁浮轴承系统中扮演的角色越来越重要，控制器的数字化、集成化和计算机化使磁浮轴承的硬件系统趋于结构化、模块化，这有利于它的标准化、系列化和商品化。而相应发展的软件越来越多地采用基于现代控制理论来达到各种控制算法，如滑模控制、非线性模糊控制、自适应控制和H控制、µ控制等，使它更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向发展。功率放大器趋向于采用效率高的开关功放等来取代连续功放。
磁浮轴承的推广应用:因为磁浮轴承尚处于发展阶段，用户还不具备设计磁浮轴承的基本知识，因此研究人员一直追求磁浮轴承在工业设备上地应用这个目标。而且，应用和研究是相辅相成地，通过推广应用，也可不断提高磁浮轴承的研究水平。
1 磁悬浮技术的研究进展及应用简况
利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想早在一个多世纪以前就已产生。1842年，英国剑桥大学的恩休(Eamshaw) 就提出了磁悬浮概念，并证明了铁磁体不可能仅由另一个永久磁铁支承而在六个自由度上都保持自由、稳定的悬浮，必须至少有一个自由度被机械或其它约束所消除。经过近一个世纪的研究及其它科学技术的发展，1937年肯珀(Kemper)申请了一项有关悬浮支承的专利，提出了采用新的交通方法的可能，并作了一个试验，这正是稍后出现的磁悬浮列车的前身。同年，美国的Homes发表了“轴向磁悬浮”一文，Homes和其同事Beams等不仅研究出了一种磁悬浮系统的设计图，而且还将这一原理应用于超高速离心机上，这些都标志着磁悬浮技术的突破。
以后的20多年里，磁悬浮研究主要着重于由静磁场所稳定的被动悬浮，这时较有代表性的研究机构是美国麻省理工学院(MIT)的德雷伯实验室，主要研究飞机、潜艇、导弹的导航和制导系统中惯性元件的悬浮。由于被动力不可能使一个刚体在所有自由度上都稳定悬浮，因此，就需要采用主动方法即控制环节，以不断地使磁场适应刚体的运动，在20世纪50年代末就产生了主动磁悬浮技术。
1957年法国Hispon-Suiza公司提出了个完整的主动磁悬浮的技术设想，并取得了法国专利(French Patent，1186527)。20世纪60年代后，法国、日本、美国、前苏联等国家纷纷开始进行主动磁浮轴承的研究工作，这一时期的工作主要是为以后的实践打下理论基础。
20世纪70年代后，随着大规模集成电路、新型永磁材料的出现和科技发展的迫切需要，磁悬浮技术迅速发展，并在许多领域得到应用。如在交通运输业中，1977年德国航空公司研制的KOMET型磁悬浮列车，在一段专门实验轨道上时速达369km。机械工业领域中各种高速旋转机械包括各类机床、涡轮分子泵、高速离心机、涡轮发电机、液氦泵等，如法国SEP公司和瑞典SKF轴承公司共同投资建立的S2M公司(1976年) ，在1981年的Hanover 欧洲机床展览会上，首次推出B20/500磁浮主轴系统，并在35000r/min下进行了现场钻、铣削表演，该公司还在1983年的第5届欧洲机床展览会上展出了系列磁浮轴承和其支承的机床主轴部件。目前，国外高性能的机床普遍采用磁浮主轴系统，转速一般为40000～70000r/min，Z高转速为180000r/min的超高速磨床几年前就已投入应用：还有空间工业的真空分子泵、各种飞轮等，如1986年法国在SPOT地球观测卫星中安装了姿态控制用的磁浮飞轮等。
国内从上世纪80年代初开始研究磁浮轴承技术。1980年清华大学对磁浮轴承的稳定性作过研究：1981年上海微机电研究所研制过用于径向、轴向主轴的磁浮轴承：1986年广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行了研究。到目前为止，又有西安交大、浙江大学、国防科技大学、南京航空航天大学、扬州大学等十几家单位从事这方面的研究，但大都尚处于实验室阶段，落后国外约20年。
2 磁浮轴承的分类
从本质上说，任何一个磁悬浮问题，归纳起来就是一个磁浮轴承问题，其机理基本一致，研究方法也类似。磁浮轴承是利用磁场力将转子无接触地悬浮在空间的新型机电一体化轴承，它综合运用了机械学、转子动力学、电磁学、电子学、控制理论和计算机科学等多学科的知识，是一项高科技前沿技术。
按磁浮轴承的工作原理，可将其分为如下几类:
部分接触式——部分接触式磁浮轴承是利用磁浮轴承卸载或隔振，主要用于火箭发动机和离心分离机上。
完全无接触式——这一类又可细分为无控制型、交流控制型和直流控制型。
利用抗磁体和超导体有可能实现完全无控制式悬浮，但前者的悬浮重量太轻，难以实际应用，后者设备昂贵，应用场合受到限制。
交流控制式是采用LC共振电路，利用转子位移产生的阻抗变化，使电磁铁上线圈电流发生变化，从而保持平衡的一种方式。
直流控制式可分为轴向主动控制式(单轴主动控制) 、径向主动控制式(两轴或四轴主动控制) 和全方向主动控制式( 五轴主动控制) 。
此外，磁浮轴承还有许多分类方法，如按悬浮方式分为主动式和被动式，工业上主要应用主动式磁浮轴承(Active Magnetic Bearing，缩写为AMB ，有时简称磁轴承：按结构分有立式和卧式，内转子型或外转子型：按作用力分有吸引式和排斥式等。
3 磁浮轴承的优点
与其它轴承相比，其优点主要表现在无机械接触和特性可控制两个方面。
3.1 无机械接触方面的优点
无机械接触，因而无磨损，其寿命实际上是控制电路元器件的寿命，比接触式轴承寿命长得多：
无须润滑，可省去泵、管道、过滤器、密封元件，也不会因润滑剂而污染环境，因此特别适合于真空技术和无菌车间等超净环境使用：
轴承功耗低，仅是传统轴承的1/5～1/20：
允许转子高速旋转，其转速只受转子材料承受离心力的强度限制，这为设计具有全新结构的大功率机器提供了可能。
3.2 特性可控制带来的优点
磁浮轴承的动态特性可控制、优化，其动态性能主要取决于所用控制规律，这样可使刚度、阻尼等与轴承的工作环境甚至运行状态和转速相适应，可使转子平稳运转：
转子的控制精度，如转子的回转精度，主要取决于控制环节中信号的测量精度，不受其它因素影响：
便于对机器的运行状态进行在线诊断和监控，提高系统的稳定性：
它不仅可支承转子、阻尼振动和稳定转子，而且还可作为激振器使用，利用激振信号和响应信号可以识别一些尚属未知的转子特性。
当然，磁浮轴承也有不足之处，主要是必须外加控制装置，结构复杂，成本高(不过已看到了大幅降低成本的前景)。
4 磁浮轴承的发展趋势
目前，国外在磁浮轴承的研究工作上非常活跃。1988年在瑞士召开了届磁轴承会议，此后每两年召开一次，1991年美国航天管理局还召开了一次磁悬浮技术在航天技术中的应用讨论会。现在，美国、法国、瑞士、日本和我国等许多国家都在大力支持磁悬浮的研究工作，上的这些努力，必将大大推动磁浮轴承的发展和在工业上的应用。
磁浮轴承的发展将主要集中在以下几个方面:
超导磁浮轴承:这种轴承的体积很小，但却有很大的承载能力。但是，这方面的研究进展在很大程度上依赖于高温超导材料的发展，近几年很难有大的突破。
自检测磁浮轴承:传统的磁浮轴承需要传感器来检测信号，由于传感器的存在，使轴承的轴向尺寸变大，系统的动态性能降低，而且成本高，可靠性低。而自检测磁浮轴承，不需要位移传感器，可以简化结构并降低制造成本，在工业上具有很广阔的应用前景。
本项目(动力磁悬浮轴承系统的研究) 以及我们以前进行的航空科学基金资助项目(航空用无传感器磁悬浮轴承系统的研究，批准号为98C52025) 就是研究这种磁浮轴承的实际课题。
电磁和永磁混合的磁浮轴承:这种轴承主要是由永久磁铁产生的磁场取代电磁铁偏磁电流产生的磁场，以减轻磁浮轴承定子、功率放大器的体积和重量，在航空发动机上有很好的应用前景。
基于全局的优化设计:除了要让磁浮轴承自身以及转子系统满足相应的机械要求外，还应从系统的角度考虑磁浮轴承的稳定性、可靠性和经济性，以便为磁浮轴承的产品化创造一个更广阔的应用前景。
采用各种先进的控制器和功率放大器:为了达到更高的性能要求，控制环节在磁浮轴承系统中扮演的角色越来越重要，控制器的数字化、集成化和计算机化使磁浮轴承的硬件系统趋于结构化、模块化，这有利于它的标准化、系列化和商品化。而相应发展的软件越来越多地采用基于现代控制理论来达到各种控制算法，如滑模控制、非线性模糊控制、自适应控制和H控制、µ控制等，使它更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向发展。功率放大器趋向于采用效率高的开关功放等来取代连续功放。
磁浮轴承的推广应用:因为磁浮轴承尚处于发展阶段，用户还不具备设计磁浮轴承的基本知识，因此研究人员一直追求磁浮轴承在工业设备上地应用这个目标。而且，应用和研究是相辅相成地，通过推广应用，也可不断提高磁浮轴承的研究水平。
