磁力轴承

磁力轴承

磁力轴承是磁悬浮原理应用在机械工程领域中的一项新的支承技术，其区别于传统的支承方式，具有无摩擦、无磨损、无润滑、运动阻力小、转速高、精度高、功耗低以及寿命长等优点，随着有关研究的不断发展，已有的电磁轴承种类很多，按工作原理可分为三类：主动磁轴承、被动磁轴承、混合磁轴承。

对于磁力轴承的研究，国外早在18世纪40年代就开展了理论分析，并在19世纪中、后期逐步应用于工业领域，随着轴承的性能在不断提高，某些电磁轴承类产品已相当成熟；国内的相关研究虽然一直在升温，但整体上来说依然处于理论研究阶段，离工业应用仍有较大的差距。总体来说，磁力轴承有很好的应用前景，这项技术的研究与应用标志着支承技术的全新革命。

一．磁力轴承的工作原理和基本结构

在工业应用中，由于主动磁轴承明显的优于被动磁轴承，所以在此以主动磁轴承为例进行探讨。

主动磁轴承一般被称为电磁轴承，其集机械学、力学、控制工程、电磁学、电子学和计算机学于一体，其是靠主动电子控制系统，由可控电磁力使转子非接触地“支承”着轴承体，通常由转子、定子（电磁铁）、放大器、位置传感器、控制器和辅助轴承等部分组成（如图1.1）。转子是系统的控制对象，转子和电磁铁要求有良好的磁性和机械性能；控制器是电磁轴承系统的核心，决定电磁轴承的好坏；放大器向电磁铁提供产生电磁力所需的控制电流；位置传感器用来检测转子的偏转量；辅助轴承的功能是在电磁轴承出现故障时支承转子或在轴承过载时承受部分载荷承，避免转子与定子的任何直接接触，防止擦伤。

图1.1 电磁轴承基本结构

电磁轴承的机械部分一般是由轴向轴承和径向轴承组成（如图1.2）。轴向轴承由定子和推力盘组成；径向轴承由定子和转子组成。

(a) (b)

图1.2 (a)径向轴承横截面结构示意图 (b)轴向轴承结构示意图 一个转子要实现完全的悬浮，需要在其五个自由度上施加控制力，即需要两个径向轴承和一个轴向轴承。一个完整的电磁轴承系统通常包括2个径向轴承和1个轴向轴承及其控制系统；每个径向轴承有2个自由度，每个轴向轴承有1个自由度，这样一个电磁轴承共有5个自由度。根据图1.1建立坐标系:

图1.3 电磁轴承自由度 如图1.3，在六个自由度中，z y x ，，，ψ，ξ五个自由度由电磁轴承来约束，θ由电机约束。

电磁轴承的工作原理可用单自由度的控制状况来说明。如图1.3所示，正常情况下，线圈通电，电磁铁和转子的轴向间隙之间磁通变化产生电磁力，实现转子轴向悬浮，此时转子位于中心平衡位置，电磁铁Ⅰ和电磁铁Ⅱ的电磁力1F 和2F 相等，此时两侧气隙均为0x ，当外力作用，转子的位置发生偏转（偏转方向如图中所示），气隙宽度变化，使得磁通量变化：电磁铁Ⅰ的磁通1Φ增大，电磁铁Ⅱ的磁通2Φ减小，此时1F >2F ；位移传感器测出偏转量为x ，经位移信号转换电路后的输出电压为x u ，其与位置参考电压r u 比较后得到的电压为e u ，然后经调节器进行相位和幅值的调节得到输出电压c u ，分别输入给两个功率放大器，功率放大器将信号变为控制电流，该电流流经电磁铁线圈绕组使铁心内产生磁通Φ，

该磁通与1Φ方向相同，与2Φ方向相反，故上方气隙的磁通变为Φ-1Φ，下方气隙的磁通

变为Φ+2Φ，当221）（Φ-Φ≥Φ时，两个电磁铁的电磁力大小为：12F F ≥，电磁力产生差值，其称为系统回复力，它使转子回到平衡位置。

图1.3 单自由度电磁轴承工作原理

二．磁力轴承的主要参数及其作用和对轴承性能的影响

这里依然以电磁轴承为研究对象。电磁轴承的性能主要由设计参数决定，而这些参数组成的技术指标有机械、电气和控制等几部分。这里主要探讨机械方面的技术指标。其主要包括了承载能力、刚度、阻尼、回转精度等。下面主要分析承载力的影响因素以及气隙对轴承性能的影响。

在电磁轴承中，设存储在气隙中的能量为W ，当气隙中的磁场均匀时，有：

BHV W 2

1= 式中，B —气隙磁通密度；

H —气隙磁场；

V —气隙体积；

又sA

V 2=（s —气隙宽度；A —气隙横截面积），故 BHAs W =

承载力f 等于W 对s 的偏导，即：

BHA s

W f ==d d 又r

B H μμ=0（0μ—真空中磁场常数；r μ—相对磁导率，近似为1），得到：

2μ=A B f 由于电磁轴承定子铁芯的磁导率很大,可以忽略铁芯中的磁压降,磁极下的气隙磁通密度可近似表示为：s

ni B 20μ≈，所以： 22202

0412s i A n s ni A f μ=??? ??μ= 令A n k 204

1μ=，则 22

s

i k f = 从上式可以看出，承载力与线圈匝数的平方、电流的平方、磁极横截面积成正比，与气隙的平方成反比。则如图2.1

所示：

（a ） (b)

图2.1 (a)0s s =（名义气隙）时力—电流刚度i k ；(b)0i i x =时力—位移刚度x k

由上图可知：1）电流越大，电流刚度越大；2）气隙愈大，位移刚度越小，且当0s s <时，位移刚度x k 很大，当0s s >后，x k 迅速变小。

图2.2 电磁轴承的差动激磁方式

通常，在轴承磁铁中有两个作用相反的磁铁工作，这种布局使得正向力、负向力都能产生。如图2.2所示，在电磁轴承中的两个作用相反的磁铁产生的差动激磁方式下，一个磁铁以偏置电流0i 和控制电流x i 之和激磁，一个以两者之差激磁，x f 则代表了两电磁铁间的作用力差，则有： ??????+---+=-=-+20202020)()()()(x s i i x s i i k f f f x x x

则轴承在任意x 处的电流刚度为：

??

????+-+-+=??=200200)()()()(2x s i i x s i i k i f k x x x x i 位移刚度为：

?????

?+-+-+=??=30203020)()()()(2x s i i x s i i k x f k x x x x 在实际的系统正常工作状态下，转子始终保持在平衡位置附近，即x <<0s ，0≈x ，0≈x i ，线性化后为：

20

020200004s Ai n s ki x f k x i x x i μ==??=== 30

20203020004s Ai n s ki x f k x i x x x μ==??=== 由此可以看出，电磁轴承的电流刚度和位移刚度与磁极横截面积、气隙大小、线圈的匝数、偏置电流等参数有很大联系。特别的，位移刚度与气隙的立方成反比。

此时，总的瞬时力f 作为位移和电流的函数在工作点附近可归结为线性方程为：

x i x x i k x k f +=

此外，x k 、i k ，x i 也影响刚度和阻尼。从上面可以知道x k 、i k 与结构参数和平衡位置有关，而电流是位移的函数，它取决于控制规律的设计，所以轴承刚度和阻尼取决于结构参数、平衡位置以及控制规律。回转精度与诸多因素有关，主要与工作气隙有密切关系。

三．相关专利说明

1.磁悬浮轴承（中国专利申请号：0013055.5）

原理说明：这种轴承由至少两组径向稳定磁环和其之间设置的至少一组轴向稳定磁环组成。径向稳定磁环由一与轴承座固定相连的径向静磁环和一并列设置的与沿径向延伸的轴套固定相连的径向动磁环组成，径向静磁环和径向动磁环均由沿径向的两极以上紧密相连的交叉磁极组成，径向静磁环和径向动磁环沿径向对应的磁极磁力大小相等，极性相反；轴向稳定磁环由一与轴承座固定相连的轴向静磁环和一并列设置的与沿轴向延伸的轴套

固定相连的轴向动磁环组成，轴向静磁环和轴向动磁环均由沿径向的两极以上紧密相连的交叉磁极组成，轴向静磁环和轴向动磁环沿径向对应的磁极磁力大小相等，极性相反。

轴承实例如图3.1所示：在一根被支承的轴1上，设置了径向稳定磁环2两组，两组径向磁环之间设置有一组轴向稳定磁环7，径向轴承座3和轴向轴承座10固定连接在基座上。

1—转子轴 2—径向稳定磁环 3—径向轴承座 4—径向静磁环 5—径向动磁环6—径向轴套7—轴向稳定磁环 8—轴向动磁环 9—轴向静磁环 10—轴向轴承座 11—轴向轴套

图3.1 磁悬浮轴承

径向稳定磁环由并列设置的径向静磁环4和径向动磁环5组成，径向静磁环固定在径向轴承座3上，径向动磁环5固定在沿径向延伸的轴套6上，轴套连接在轴上。径向静磁环上相间设置有四个紧密相连的交叉磁极，从轴沿径向分别为S极、N极、S极、N极，对应的径向动磁环上也相间设置了四个紧密相连的交叉磁极，从轴沿径向的极性与径向静磁环上相反，分别为N极、S极、N极、S极。当轴旋转时，径向轴套带动固定在其上的径向动磁环向下偏离耦合态时，由于多极磁力耦合力的作用，径向静磁环拉动轴及径向动磁环回到耦合力最小位置，使磁能降到最低，即径向具有稳定性。

轴向稳定磁环由并排设置的轴向静磁环9和轴向动磁环8组成，轴向静磁环固定在轴向轴承座10上，轴向动磁环固定在沿轴向延伸的轴向套筒11上，轴向套筒与轴连接为一体，轴向静磁环上相间设置有四个紧密相连的交叉磁极，沿轴向从左至右分别为S极、N 极、S极、N极，对应的轴向动磁环上相间也设置有四个紧密相连的交叉磁极，磁极与轴向静轴承相反，从左至右依次为：N极、S极、N极、S极。当轴旋转时，轴向轴承套带动固定在其上的轴向动磁环旋转，轴向静磁环受轴向轴承座的固定不动。由于轴向静磁环与轴向动磁环对应的磁极极性相反、大小相等，当两者处于耦合态时，磁能降到最低，使轴向具有稳定性。

总结：这是一种永磁式被动轴承，鉴于目前的永磁力轴承承载力不大、刚度小的缺点，

这种轴承在结构设计上，采用了每组稳定磁环由多个紧密相连的交叉磁极组成静磁环和动磁环，且对应的磁极时磁力大小相同、极性相反的。在径向和轴向形成了拉推磁路，使每组径向稳定磁环和轴向稳定磁环在处于磁极耦合时能态最低，因而一旦偏离耦合就会产生耦合力。这种轴向稳磁环和径向稳定磁环相间配合使用，就能实现整体悬浮并达到稳定性和刚度的要求。所以这种轴承结构简单、成本低，稳定性好、刚度大、承载力大，应用领域十分广泛。