磁力轴承的应用

HEATS

　　磁力轴承是靠磁场力支承载荷或悬浮转子的一种支承形式。这种轴承近年来发展很快，特别在高速、低摩阻、高(低)温及真空环境下的应用。磁力轴承与其他支承形式相比有其独特的优越性，很有发展前景。

3 I) I# V* M( z' ^

　　一、特点与分类

' ~, G/ a. O: ]; W

　　1.特点

4 G5 P# h" L) f0 r% Y 4 h9 f# _( p! G6 T

　　①摩擦小，功耗低，可实现超高速运转。

1 M3 q+ Z8 q6 z \* a & N- ^9 L2 O! G

　　②支承精度高，工作稳定，可靠。

　　③可在高温、深冷及真空环境下运转。

. e- l5 N0 i/ u! K& K 9 i* G- `- d$ h, _6 p

　　④结构复杂，要求条件苛刻，对环境有磁干扰，但无其他污染。

7 z* R# b6 S$ b: q5 `: J& Q1 u ( `$ n5 I0 H5 ^/ f5 k' V2 r9 ]

　　2.分类

( {- u- t4 Z9 A4 `/ U

　　磁力轴承根据其控制方式、磁能来源、结构形式等分类。此外，还可以按磁场类型划分为永久磁铁型、电磁铁型和永久磁铁—电磁铁混合型。也可按轴承悬浮力类型划分为吸力型和斥力型。超导磁力轴承还分为低温超导和高温超导两种。

　　以上各种分类中不同类型之间还存在一些特殊限制，应特别注意。　　

　　①永磁型轴承只能是无源型(被动型)，而无源型轴承不可能在3个方向上都稳定，至少有1个方向应采用有源型。

　　②直流激励型轴承只能是有源型(主动型)。

) V9 n# r K7 r, A 6 u. a1 e r$ t% y4 _' @

　　③纯电磁铁型轴承只能是5自由度控制型轴承，其体积、质量和功耗都比较大。

　　④斥力型磁力轴承，由于磁力利用率低，结构较吸力型复杂，一般很少采用。

" S" t- w3 N4 A* r" n& M

　　二、几种典型的磁力轴承

3 }, j$ X7 g/ ^& W; i/ ?

　　1.永磁型磁力轴承

! P( e& g4 f% A! [& C # ?! I8 W" l8 J$ E' |

　　永磁型磁力轴承是由永久磁铁制成的，可做成各种形状。轴承的承载能力和刚度决定于永磁材料的种类，磁极的形状、面积、厚度和配置方式，轴承间隙，以及软磁钢部分的尺寸。这种轴承的理论计算十分困难，常采用“实验相似法”进行结构设计。即用实验方法确定几种典型轴承结构，测出其承载能力、刚度值。新设计轴承只要取相同的材料，结构形式与尺寸按比例确定，其性能即可按比例求出，如承载能力与轴承特征尺寸的平方成比例等。

1 r- @3 I0 n) T4 a( d, ~/ ?

　　经验证明，增加磁铁厚度和采用软磁钢极靴结构，对提高轴承的承载能力是有效的。值得特别注意的是，永磁轴承无论取哪种永磁材料和任何结构形式，都有一最大尺寸限制，一旦超过该尺寸，轴承就不能支承其自身的重量。所以，永磁轴承不能设计得过大。

　　2.被动式交流激励型磁力轴承

& B8 F( O( S8 C+ Y5 p

　　 (1)推力轴承

4 J) d- X( m2 ` f6 d7 ?" B; Q% A* t

　　推力轴承通常都是成对组合式，每个轴承就是一个电磁铁。铁心几何形状一般为E形、U形或圆环形。调谐方式分串联和并联两种。

　　三、磁力轴承的应用实例

( K- t- E# D! x1 V' Q+ `- |; K# B

　　磁力轴承目前还处于研究开发阶段，其应用多半是实验性的，未形成批量生产，也未商品化。

　　1.机床中的应用 在机床主轴中的应用有限，属试用性质。

" z: Y) ^3 a3 q% L5 S% h6 s

　　(1)精密机床主轴

1 T# ^% v7 y" y( |' l , H; Q# `2 @8 R/ J0 r, d

　　法国S2M公司制造了采用5自由度控制磁力轴承支承的精密主轴，其径向轴承的dn值为4X106mm·r／min，轴颈线速度为200m／s，推力轴承的dn值为8X106mm·r／min，止推轴颈线速度为400m／s。

# I& {! b% V' ^' i- m% D& B, @ 1 I- t. p6 f4 }7 B [/ W1 B( E

　　(2)超精透镜车床

0 J( w0 q* @+ w- f6 P7 ]- a : Z$ j% ~; b/ c/ W" e% S, M. x- S

　　法国S2M公司由主动磁力轴承支承的超精透镜车床主轴，转速2000r／min，功率lkW，加工精度0.05ttm。

! L a% S( z4 F9 p( z- r ' R8 o* q1 o9 H

　　2.精密仪器中的应用

　　英国国家物理实验室研制了采用磁浮导轨的自动分辨测量仪，在lkHz的频带内，支承刚度为175N／gm，分辨率达0.1nm。

- r* l2 _! W1 @. G9 `' r

　　3.泵类中的应用

. T3 h d. X# P. D

　　(1)血液泵

% _5 h: V6 h# ^2 s9 N$ J- Z) K

　　日本东京大学与NTN公司合作研制的磁力轴承血液泵。主轴由5自由度主动控制型磁力轴承支承，进口径向轴承的承载能力为18N，出口轴承径向承载能力为22N，推力轴承的承载能力为9.2N。

$ G: {% m7 P. q; S7 L; u( W

　　(2)循环泵 法国SEP公司采用S2M公司的主动型磁力轴承研制开发出火箭发动机用液氧、液氢循环泵。

　　4.空间技术中的应用

+ O) x) w c* g

　　日本NAL＆MELCO和NAL＆TOSIBA公司用主动型磁力轴承支承空间姿态控制惯量轮。

Y# k4 x' E: ?4 W7 p

　　5.物理实验中的应用

　　 (1)高精密粒子束变换器 德国Uranit公司推出了三种用磁力轴承支承转子的粒子束变换器。

( F3 j3 a: }3 P1 ]# |- i2 Q

　　(2)中子选择器

( V7 w/ A2 A' I. A 3 i+ H+ z( q D

　　德国KFA公司制造的中子选择器，采用单自由度被动型磁力轴承支承转子，转速为36000r／min。

4 \: E) ^4 m+ Q 3 u/ g- Q6 X3 W) c& A1 O8 {0 `; c