主动磁轴承工作原理及特点

主动磁轴承工作原理

磁轴承是一种新型高性能轴承，在磁悬浮领域中,应用最广泛的就是主动磁轴承。图1表明了一个简单磁轴承的组成部分及其功能。传感器检测出转子偏离参考点的位移,作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号,然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流,控制电流在执行磁铁中产生磁力从而使转子维持其悬浮位置不变。悬浮系统的刚度阻尼以及稳定性由控制规律决定。

图1主动磁轴承的工作原理

刚度和阻尼可在物理极限范围内广泛地变动,亦可根据技术要求进行调节,甚至可以在运行过程中加以改变。

一个实际的转子需要多个磁铁组成,如图2所示，这些磁铁由一个多变量控制器相互联接在一起,相应的硬件示于图3中。转子长约0. 8m,质量为12kg，用一个CCD传感器测量位移并能为微机控制器直接生成数字信号。该示范转子的气隙相当大,为10mm。作为一种新颖的尚未普遍采用的机器部件，磁轴承属于机械电子这一的产品。

图2转子在一个平面内的支承截图

图3左、右磁轴承支承的转子（中间驱动）

支承转子的主动磁轴承特点

下面介绍的是支承转子磁轴承的特殊性能，正是由于它具有这些特殊的性能，才使得磁轴承在应用领域倍受青睐。

1、由于磁浮轴承具有无接触、无润滑以及无磨损等特点,它可用于真空技术、净室及无菌车间以及腐蚀性介质或非常纯净介质的传输。轴承气隙一般只有几十分之一毫米,但在特殊情况下气隙可达到20mm,此时轴承的承载能力非常小。

2、允许转子高速旋转,其转速只受材料强度的限制。速度的不断提高,为设计具有全新结构的大功率机器提供了可能性。实际上,如果采用能承受高应力并同时具有优良的软磁特性的非晶态金属,圆周速度大约可达350m/s。由于不需要润滑与密封.而且轴颈直径可以取得比较大,给设计带来了很多优越性，如轴的刚性更大且对振动不敏感。

3、轴承的功耗低，仅是传统轴承功耗的1/5-1/20，降低了运行费用。

4、由于没有机械磨损,不但维护费用低而且工作寿命长,这也是目前在透平机械中不断应用磁轴承的主要原因。

5、磁轴承单位面积上的承载力(比载荷)取决于铁磁材料和轴承磁铁的设计,大约为20N/cm2 ,也可达到40N/cm2。参考面积是轴承的横截面积,因而轴承的最大承载能力主要是轴承体积的函数。

6、磁悬浮的动态性能主要取决于所采用的控制规律,这样就有可能在物理极限内使刚度和阻尼与轴承的工作环境甚至与运行状态和转速相适应。术语“刚度”和“阻尼”不仅包括传统的静态部分即弹簀和阻尼常数,而且还包括与频率有关的动刚度。这就使得人们有可能利用磁釉承进行隔振,使转子平稳地通过临界转速,甚至当系统受到非守恒扰动时稳定转子。

7、转子的控制精度,例如转子的回转精度,主要取决于控制环节中信号的测量精度。例如，普通的电感传感器的分辨率大约在0.01-0.001mm之间。

8、为了对磁轴承实施控制，需要对转子的全部或部分状态变量进行测量。这些测量信号还可用于不平衡大小的评估和运行工况的在线监测,从而提高了系统的可靠性。

9、磁轴承不仅可以支承转子.阻尼振动和稳定转子，而且还可作为激振器使用。对转子施加激振,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,也必须对磁轴承的缺点有所提及,现归纳如下:

1、由于磁轴承尚处于发展阶段,不能形成批量生产，而且结构复杂,从而导致磁轴承的价格极高。不过，已经看到了大幅度降低成本的前景。

2、由于用户尚不儿.设计磁轴承的基本知识,因此这项新技术不大容易被接受。

3、由于磁轴承是一项处F迅速发展中的新技术，目前还很难对它今后的应用作出明确的评估,这种情况和计算机在应用过程中所出现的局面颇有相似之处。

4、在一些特例中,虽然在安全性、可靠性、能耗以及最优设计等方面取得了令人满意的结果,但是,我们尚需努力对通用的系统设计方法进行研究。