詳細介紹磁懸浮技術的發(fā)展趨勢及應用領域
詳細介紹磁懸浮技術的發(fā)展趨勢及應用領域
- 2021/5/12 8:50:54
1 磁懸浮技術的研究進展及應用簡況
利用磁力使物體處于無接觸懸浮狀態(tài)的設想早在一個多世紀以前就已產(chǎn)生。1842年，英國劍橋大學的恩休(Eamshaw) 就提出了磁懸浮概念，并證明了鐵磁體不可能僅由另一個永久磁鐵支承而在六個自由度上都保持自由、穩(wěn)定的懸浮，必須至少有一個自由度被機械或其它約束所消除。經(jīng)過近一個世紀的研究及其它科學技術的發(fā)展，1937年肯珀(Kemper)申請了一項有關懸浮支承的專利，提出了采用新的交通方法的可能，并作了一個試驗，這正是稍后出現(xiàn)的磁懸浮列車的前身。同年，美國的Homes發(fā)表了“軸向磁懸浮”一文，Homes和其同事Beams等不僅研究出了一種磁懸浮系統(tǒng)的設計圖，而且還將這一原理應用于超高速離心機上，這些都標志著磁懸浮技術的突破。
以后的20多年里，磁懸浮研究主要著重于由靜磁場所穩(wěn)定的被動懸浮，這時較有代表性的研究機構是美國麻省理工學院(MIT)的德雷伯實驗室，主要研究飛機、潛艇、導彈的導航和制導系統(tǒng)中慣性元件的懸浮。由于被動力不可能使一個剛體在所有自由度上都穩(wěn)定懸浮，因此，就需要采用主動方法即控制環(huán)節(jié)，以不斷地使磁場適應剛體的運動，在20世紀50年代末就產(chǎn)生了主動磁懸浮技術。
1957年法國Hispon-Suiza公司提出了第一個完整的主動磁懸浮的技術設想，并取得了法國專利(French Patent，1186527)。20世紀60年代后，法國、日本、美國、前蘇聯(lián)等國家紛紛開始進行主動磁浮軸承的研究工作，這一時期的工作主要是為以后的實踐打下理論基礎。
20世紀70年代后，隨著大規(guī)模集成電路、新型永磁材料的出現(xiàn)和科技發(fā)展的迫切需要，磁懸浮技術迅速發(fā)展，并在許多領域得到應用。如在交通運輸業(yè)中，1977年德國航空公司研制的KOMET型磁懸浮列車，在一段專門實驗軌道上時速達369km。機械工業(yè)領域中各種高速旋轉(zhuǎn)機械包括各類機床、渦輪分子泵、高速離心機、渦輪發(fā)電機、液氦泵等，如法國SEP公司和瑞典SKF軸承公司共同投資建立的S2M公司(1976年) ，在1981年的Hanover 歐洲國際機床展覽會上，首次推出B20/500磁浮主軸系統(tǒng)，并在35000r/min下進行了現(xiàn)場鉆、銑削表演，該公司還在1983年的第5屆歐洲機床展覽會上展出了系列磁浮軸承和其支承的機床主軸部件。目前，國外高性能的機床普遍采用磁浮主軸系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速一般為40000～70000r/min，最高轉(zhuǎn)速為180000r/min的超高速磨床幾年前就已投入應用：還有空間工業(yè)的真空分子泵、各種飛輪等，如1986年法國在SPOT地球觀測衛(wèi)星中安裝了姿態(tài)控制用的磁浮飛輪等。
國內(nèi)從上世紀80年代初開始研究磁浮軸承技術。1980年清華大學對磁浮軸承的穩(wěn)定性作過研究：1981年上海微機電研究所研制過用于徑向、軸向主軸的磁浮軸承：1986年廣州機床研究所與哈爾濱工業(yè)大學首先對“磁力軸承的開發(fā)及其在FMS中的應用”這一課題進行了研究。到目前為止，又有西安交大、浙江大學、國防科技大學、南京航空航天大學、揚州大學等十幾家單位從事這方面的研究，但大都尚處于實驗室階段，落后國外約20年。
2 磁浮軸承的分類
從本質(zhì)上說，任何一個磁懸浮問題，歸納起來就是一個磁浮軸承問題，其機理基本一致，研究方法也類似。磁浮軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子無接觸地懸浮在空間的新型機電一體化軸承，它綜合運用了機械學、轉(zhuǎn)子動力學、電磁學、電子學、控制理論和計算機科學等多學科的知識，是一項高科技前沿技術。
按磁浮軸承的工作原理，可將其分為如下幾類:
部分接觸式部分接觸式磁浮軸承是利用磁浮軸承卸載或隔振，主要用于火箭發(fā)動機和離心分離機上。
完全無接觸式這一類又可細分為無控制型、交流控制型和直流控制型。
利用抗磁體和超導體有可能實現(xiàn)完全無控制式懸浮，但前者的懸浮重量太輕，難以實際應用，后者設備昂貴，應用場合受到限制。
交流控制式是采用LC共振電路，利用轉(zhuǎn)子位移產(chǎn)生的阻抗變化，使電磁鐵上線圈電流發(fā)生變化，從而保持平衡的一種方式。
直流控制式可分為軸向主動控制式(單軸主動控制) 、徑向主動控制式(兩軸或四軸主動控制) 和全方向主動控制式( 五軸主動控制)。
此外，磁浮軸承還有許多分類方法，如按懸浮方式分為主動式和被動式，工業(yè)上主要應用主動式磁浮軸承(Active Magnetic Bearing，縮寫為AMB ，有時簡稱磁軸承：按結構分有立式和臥式，內(nèi)轉(zhuǎn)子型或外轉(zhuǎn)子型：按作用力分有吸引式和排斥式等。
3 磁浮軸承的優(yōu)點
與其它軸承相比，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在無機械接觸和特性可控制兩個方面。
3.1 無機械接觸方面的優(yōu)點
無機械接觸，因而無磨損，其壽命實際上是控制電路元器件的壽命，比接觸式軸承壽命長得多：
無須潤滑，可省去泵、管道、過濾器、密封元件，也不會因潤滑劑而污染環(huán)境，因此特別適合于真空技術和無菌車間等超凈環(huán)境使用：
軸承功耗低，僅是傳統(tǒng)軸承的1/5～1/20：
允許轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速只受轉(zhuǎn)子材料承受離心力的強度限制，這為設計具有全新結構的大功率機器提供了可能。
3.2 特性可控制帶來的優(yōu)點
磁浮軸承的動態(tài)特性可控制、優(yōu)化，其動態(tài)性能主要取決于所用控制規(guī)律，這樣可使剛度、阻尼等與軸承的工作環(huán)境甚至運行狀態(tài)和轉(zhuǎn)速相適應，可使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運轉(zhuǎn)：
轉(zhuǎn)子的控制精度，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，不受其它因素影響：
便于對機器的運行狀態(tài)進行在線診斷和監(jiān)控，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：
它不僅可支承轉(zhuǎn)子、阻尼振動和穩(wěn)定轉(zhuǎn)子，而且還可作為激振器使用，利用激振信號和響應信號可以識別一些尚屬未知的轉(zhuǎn)子特性。
當然，磁浮軸承也有不足之處，主要是必須外加控制裝置，結構復雜，成本高(不過已看到了大幅降低成本的前景)。
4 磁浮軸承的發(fā)展趨勢
目前，國外在磁浮軸承的研究工作上非?；钴S。1988年在瑞士召開了第一屆國際磁軸承會議，此后每兩年召開一次，1991年美國航天管理局還召開了一次磁懸浮技術在航天技術中的應用討論會?，F(xiàn)在，美國、法國、瑞士、日本和我國等許多國家都在大力支持磁懸浮的研究工作，國際上的這些努力，必將大大推動磁浮軸承的發(fā)展和在工業(yè)上的應用。
磁浮軸承的發(fā)展將主要集中在以下幾個方面:
超導磁浮軸承:這種軸承的體積很小，但卻有很大的承載能力。但是，這方面的研究進展在很大程度上依賴于高溫超導材料的發(fā)展，近幾年很難有大的突破。
自檢測磁浮軸承:傳統(tǒng)的磁浮軸承需要傳感器來檢測信號，由于傳感器的存在，使軸承的軸向尺寸變大，系統(tǒng)的動態(tài)性能降低，而且成本高，可靠性低。而自檢測磁浮軸承，不需要位移傳感器，可以簡化結構并降低制造成本，在工業(yè)上具有很廣闊的應用前景。本項目(動力磁懸浮軸承系統(tǒng)的研究) 以及我們以前進行的航空科學基金資助項目(航空用無傳感器磁懸浮軸承系統(tǒng)的研究，批準號為98C52025) 就是研究這種磁浮軸承的實際課題。
電磁和永磁混合的磁浮軸承:這種軸承主要是由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場取代電磁鐵偏磁電流產(chǎn)生的磁場，以減輕磁浮軸承定子、功率放大器的體積和重量，在航空發(fā)動機上有很好的應用前景。
基于全局的優(yōu)化設計:除了要讓磁浮軸承自身以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)滿足相應的機械要求外，還應從系統(tǒng)的角度考慮磁浮軸承的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性，以便為磁浮軸承的產(chǎn)品化創(chuàng)造一個更廣闊的應用前景。
采用各種先進的控制器和功率放大器:為了達到更高的性能要求，控制環(huán)節(jié)在磁浮軸承系統(tǒng)中扮演的角色越來越重要，控制器的數(shù)字化、集成化和計算機化使磁浮軸承的硬件系統(tǒng)趨于結構化、模塊化，這有利于它的標準化、系列化和商品化。而相應發(fā)展的軟件越來越多地采用基于現(xiàn)代控制理論來達到各種控制算法，如滑?？刂啤⒎蔷€性模糊控制、自適應控制和H控制、μ控制等，使它更具有＂柔性＂，并向多功能、智能化方向發(fā)展。功率放大器趨向于采用效率高的開關功放等來取代連續(xù)功放。
浮軸承的推廣應用:因為磁浮軸承尚處于發(fā)展階段，用戶還不具備設計磁浮軸承的基本知識，因此研究人員一直追求磁浮軸承在工業(yè)設備上地應用這個目標。而且，應用和研究是相輔相成地，通過推廣應用，也可不斷提高磁浮軸承的研究水平。