磁軸承

主動磁懸浮軸承(Active Magnetic Bearing),是一種應用轉子動力學、機械學、電工電子學、控制工程、磁性材料、測試技術、數字信號處理等綜合技術,通過受控磁場力將轉子和軸承分開,實現無機械接觸的新型高性能軸承。

由於不存在機械接觸,磁軸承具有無摩擦、無磨損、無需潤滑的特點,轉子可以高速旋轉,其轉速只受轉子材料強度的限制,功耗和噪聲極低,能適用於多種複雜的應用環境。磁軸承的另一個突出優點是轉子運行狀態可以由控制系統實時檢測,可以在線評估不平衡大小並能對不平衡進行主動控制,從而使轉子系統的控制達到很高的精度。磁軸承具有的這些特點,使它在很多應用領域內與傳統滾動軸承、油膜軸承以及氣體軸承相比具有明顯的優越性。 ^[1] 

按照磁力的提供方式,磁軸承可分為如下三大類:

(1)有源磁軸承(ActiveMagneticBearing簡稱AMB),也稱為主動磁軸承,磁場是可控的,通過檢測被懸浮轉子的位置,由控制系統進行主動控制實現轉子懸浮;

(2)無源磁軸承P(assiveMagnetioBearing簡稱PMB),也稱為被動磁軸承,以永磁體或超導體實現對轉子部分自由度的支承;

(3)混合磁軸承(永磁偏置)(H沙ridMa,etieBearing簡稱HMB),其機械結構中包含了電磁鐵和永磁體或超導體。 ^[2] 

磁軸承利用電磁鐵和鐵磁材料之間的吸力實現轉子的無接觸懸浮,如果電磁鐵中通過的是恆定勵磁電流,則轉子屬於不穩定系統,微小的擾動就能使轉子偏離平衡位置而無法復原,因此,必須對磁軸承施加主動控制才能使轉子穩定工作。

磁軸承系統是由以下五部分組成：控制器、轉子、電磁鐵、傳感器和功率放大器。其中最為關鍵的部件就是控制器。控制器的性能基本上決定了整個磁懸浮軸承系統的性能。控制器的控制規律決定了磁軸承系統的動態性能以及剛度、阻尼和穩定性。

控制器又分為兩種：模擬控制器和數字控制器。雖然國內目前廣泛採用的模擬控制器雖然在一定程度上滿足了系統的穩定性，但模擬控制器與數字控制器相比有以下不足：（一）調節不方便；（二）難以實現複雜的控制；（三）不能同時實現兩個及兩個以上自由度的控制；（四）互換性差，即不同的磁懸浮軸承必須有相對應的控制器；（五）功耗大、體積大等。

磁軸承要得到廣泛的應用，模擬控制器的在線調節性能差不能不説是其原因之一，因此，數字化方向是磁軸承的發展趨勢。同時，要實現磁軸承系統的智能化，顯然模擬控制器是難以滿足這方面的要求。因此從提高磁軸承性能、可靠性、增強控制器的柔性和減小體積、功耗和今後往網絡化、智能化方向發展等角度，必須實現控制器數字化。近三十年來控制理論得到飛速發展並取得了廣泛應用。

我國對磁軸承的研究始於50年代末，後因各種原因進展不快，近十年才引起科研單位的足夠重視。清華大學工程物理系的趙鴻賓教授從1988年致力於此項研究，趙教授介紹説，磁軸承屬機電一體化產品，是控制理論、電子電力、電磁學、轉子動力學及計算機科學等學科交叉的結晶，進行這項研究，有很強的學科意義。同時，磁軸承具有的高速、高精度、長壽命等突出優點，將逐漸帶領機電行業走向一個沒有摩擦、沒有損耗、沒有限速的嶄新境界。

衡量磁軸承質量的關鍵是看它的轉速、迴旋精度和支承剛度。趙鴻賓教授所在機電與控制實驗室1994年研製的卧式五自由度磁軸承系統，轉速高達每分鐘53200轉；1997年成功進行了內圓磨削實驗；今年實現了數控高速磁轉速每分鐘近5萬轉軸承，迴轉精度1μm，這些成績均屬國內首創。

與國外磁軸承相比，我們在水平上還存在着一定差距，但國外磁軸承的價格十分昂貴，而且出於技術上保密的原因，國外磁軸承公司不對中國進行小批量磁軸承的出售。磁軸承能否產業化，其發展速度和水平關係着民族工業的前途，其市場潛力也是非常巨大的。

利用電場力、磁場力使軸懸浮的滑動軸承。用電場力懸浮的為靜電軸承，用磁場力懸浮的為磁力軸承（見圖），用電場力和磁場力共同懸浮的為組合式軸承。後一種軸承既有電極又有磁極，在電路連接上使電容和電感相互對應調諧，其剛度比前兩者要高得多，而最大力所對應的位移卻很小。電磁軸承因軸與軸承無直接接觸，不需潤滑，能在真空中和很寬的温度範圍內工作，摩擦阻力小，不受速度限制（有的轉速高達2300萬轉/分,線速度高達3倍音速）,使用壽命長,結構可多樣化。靜電軸承需要很大的電場強度,應用受到限制，只能在少數儀表中使用。磁力軸承具有較大的承載能力和剛度，已用於超高速列車、超高速離心機、水輪發電機、空間飛行器的角動量飛輪、流量計、密度計、功率表、真空泵、精密穩流器和陀螺儀等。隨着磁性材料和電子技術的發展，電磁軸承的應用正日益擴大。

電場力與電場強度、電位移和電極面積成正比，磁場力與磁場強度、磁感應強度和磁極面積成正比。適當選擇電場或磁場參數和幾何尺寸，可得到一定的軸承承載能力和剛度。靜電吸力或磁引力與物體間距離的平方成反比，根據安爾休定理，這種靜力學系統是靜不定的，所以除採用抗磁體或超導體的軸承外，在靜電場或靜磁場下工作的軸承是不穩定的。為使電磁軸承能穩定工作，必須採用伺服裝置或調整電路參數等方法進行控制。實際使用的電磁軸承一般由徑向軸承、推力軸承、伺服控制迴路、阻尼器、速度傳感器或位置傳感器等組成。