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磁悬浮轴承

 梦泽赤子 2014-12-19

 
      主要是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触的一种新型、高性能轴承,已被美国专利局受理为发明专利。据李国坤教授介绍,国家机械工业风力机械产品质量监督检测中心对这台全永磁悬浮风力发电机检测后认为,加装了全永磁悬浮轴承的风力发电机,发电输出功率可提高20%以上,即在相同风速前提下,可比传统风力发电机提高20%的发电量。

磁悬浮轴承技术
1、单自由度磁悬浮装置
    右图所示为永磁、电磁混合磁悬浮装置,利用永磁实现磁悬浮可节省能源,而且体积小,承载力大,是磁悬浮领域倍受重视的发展方向之一。
 



    左图是基于 DSP数字控制的可旋转磁悬浮装置,悬浮球的高度和转速可自动调节,可实现快速最优控制、模糊控制、变结构控制等多种控制方案。单自由度磁悬浮装置 不仅可以用作演示教具,亦可用于广告装置、城市标志物、玩具以及高科技展示等

2、磁悬浮轴承电主轴


    右图为山东科技大学磁悬浮研究中心研制的磁悬浮轴承电主轴之一,转速0—30000(转/分)可调。可用于高速旋转机械 、 高速加工机床 、 超洁净环境、飞轮储能、风力发电机等。
    下图为五自由度磁悬浮轴承在单个方向上的结构示意图。位移传感器检测转子的轴偏差信号,并转换送入控制器,功率放大器控制电磁铁中的电流,产生的电磁力保证转子稳定悬浮于设定位置。

 

 

 

 

磁悬浮轴承(0)

 

  磁悬浮轴承是一种新型高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比,磁轴承不存在机械接触,转子可以达到很高的运转速度,具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点,特别适用高速、真空、超净等特殊环境。可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域,被公认为极有前途的新型轴承。  
  我国对磁轴承的研究始于50年代末,后因各种原因进展不快,近十年才引起科研单位的足够重视。清华大学工程物理系的赵鸿宾教授从1988年致力于此项研究,赵教授介绍说,磁轴承属机电一体化产品,是控制理论、电子电力、电磁学、转子动力学及计算机科学等学科交叉的结晶,进行这项研究,有很强的学科意义。同时,磁轴承具有的高速、高精度、长寿命等突出优点,将逐渐带领机电行业走向一个没有摩擦、没有损耗、没有限速的崭新境界。
  衡量磁轴承质量的关键是看它的转速、回旋精度和支承刚度。赵鸿宾教授所在机电与控制实验室1994年研制的卧式五自由度磁轴承系统,转速高达每分钟53200转;1997年成功进行了内圆磨削实验;今年实现了数控高速磁转速每分钟近5万转轴承,回转精度1μm,这些成绩均属国内首创。
  与国外磁轴承相比,我们在水平上还存在着一定差距,但国外磁轴承的价格十分昂贵,而且出于技术上保密的原因,国外磁轴承公司不对中国进行小批量磁轴承的出售。磁轴承能否产业化,其发展速度和水平关系着民族工业的前途,其市场潜力也是非常巨大的。
  利用电场力、磁场力使轴悬浮的滑动轴承。用电场力悬浮的为静电轴承,用磁场力悬浮的为磁力轴承(见图),用电场力和磁场力共同悬浮的为组合式轴承。后一种轴承既有电极又有磁极,在电路连接上使电容和电感相互对应调谐,其刚度比前两者要高得多,而最大力所对应的位移却很小。电磁轴承因轴与轴承无直接接触,不需润滑,能在真空中和很宽的温度范围内工作,摩擦阻力小,不受速度限制(有的转速高达2300万转/,线速度高达3倍音速),使用寿命长,结构可多样化。静电轴承需要很大的电场强度,应用受到限制,只能在少数仪表中使用。磁力轴承具有较大的承载能力和刚度,已用于超高速列车、超高速离心机、水轮发电机、空间飞行器的角动量飞轮、流量计、密度计、功率表、真空泵、精密稳流器和陀螺仪等。随着磁性材料和电子技术的发展,电磁轴承的应用正日益扩大。
  电场力与电场强度、电位移和电极面积成正比,磁场力与磁场强度、磁感应强度和磁极面积成正比。适当选择电场或磁场参数和几何尺寸,可得到一定的轴承承载能力和刚度。静电吸力或磁引力与物体间距离的平方成反比,根据安尔休定理,这种静力学系统是静不定的,所以除采用抗磁体或超导体的轴承外,在静电场或静磁场下工作的轴承是不稳定的。为使电磁轴承能稳定工作,必须采用伺服装置或调整电路参数等方法进行控制。实际使用的电磁轴承一般由径向轴承、推力轴承、伺服控制回路、阻尼器、速度传感器或位置传感器等组成。

 

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