詳細(xì)介紹磁懸浮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用領(lǐng)域
詳細(xì)介紹磁懸浮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用領(lǐng)域
- 2021/5/12 8:50:54
1 磁懸浮技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用簡(jiǎn)況
利用磁力使物體處于無(wú)接觸懸浮狀態(tài)的設(shè)想早在一個(gè)多世紀(jì)以前就已產(chǎn)生。1842年，英國(guó)劍橋大學(xué)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(gè)永久磁鐵支承而在六個(gè)自由度上都保持自由、穩(wěn)定的懸浮，必須至少有一個(gè)自由度被機(jī)械或其它約束所消除。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的研究及其它科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，1937年肯珀(Kemper)申請(qǐng)了一項(xiàng)有關(guān)懸浮支承的專(zhuān)利，提出了采用新的交通方法的可能，并作了一個(gè)試驗(yàn)，這正是稍后出現(xiàn)的磁懸浮列車(chē)的前身。同年，美國(guó)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(shè)計(jì)圖，而且還將這一原理應(yīng)用于超高速離心機(jī)上，這些都標(biāo)志著磁懸浮技術(shù)的突破。
以后的20多年里，磁懸浮研究主要著重于由靜磁場(chǎng)所穩(wěn)定的被動(dòng)懸浮，這時(shí)較有代表性的研究機(jī)構(gòu)是美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的德雷伯實(shí)驗(yàn)室，主要研究飛機(jī)、潛艇、導(dǎo)彈的導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)中慣性元件的懸浮。由于被動(dòng)力不可能使一個(gè)剛體在所有自由度上都穩(wěn)定懸浮，因此，就需要采用主動(dòng)方法即控制環(huán)節(jié)，以不斷地使磁場(chǎng)適應(yīng)剛體的運(yùn)動(dòng)，在20世紀(jì)50年代末就產(chǎn)生了主動(dòng)磁懸浮技術(shù)。
1957年法國(guó)Hispon-Suiza公司提出了第一個(gè)完整的主動(dòng)磁懸浮的技術(shù)設(shè)想，并取得了法國(guó)專(zhuān)利(French Patent，1186527)。20世紀(jì)60年代后，法國(guó)、日本、美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)家紛紛開(kāi)始進(jìn)行主動(dòng)磁浮軸承的研究工作，這一時(shí)期的工作主要是為以后的實(shí)踐打下理論基礎(chǔ)。
20世紀(jì)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(shù)迅速發(fā)展，并在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。如在交通運(yùn)輸業(yè)中，1977年德國(guó)航空公司研制的KOMET型磁懸浮列車(chē)，在一段專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)軌道上時(shí)速達(dá)369km。機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中各種高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械包括各類(lèi)機(jī)床、渦輪分子泵、高速離心機(jī)、渦輪發(fā)電機(jī)、液氦泵等，如法國(guó)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(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，首次推出B20/500磁浮主軸系統(tǒng)，并在35000r/min下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆、銑削表演，該公司還在1983年的第5屆歐洲機(jī)床展覽會(huì)上展出了系列磁浮軸承和其支承的機(jī)床主軸部件。目前，國(guó)外高性能的機(jī)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(yīng)用：還有空間工業(yè)的真空分子泵、各種飛輪等，如1986年法國(guó)在SPOT地球觀測(cè)衛(wèi)星中安裝了姿態(tài)控制用的磁浮飛輪等。
國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)80年代初開(kāi)始研究磁浮軸承技術(shù)。1980年清華大學(xué)對(duì)磁浮軸承的穩(wěn)定性作過(guò)研究：1981年上海微機(jī)電研究所研制過(guò)用于徑向、軸向主軸的磁浮軸承：1986年廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對(duì)“磁力軸承的開(kāi)發(fā)及其在FMS中的應(yīng)用”這一課題進(jìn)行了研究。到目前為止，又有西安交大、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)等十幾家單位從事這方面的研究，但大都尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，落后國(guó)外約20年。
2 磁浮軸承的分類(lèi)
從本質(zhì)上說(shuō)，任何一個(gè)磁懸浮問(wèn)題，歸納起來(lái)就是一個(gè)磁浮軸承問(wèn)題，其機(jī)理基本一致，研究方法也類(lèi)似。磁浮軸承是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子無(wú)接觸地懸浮在空間的新型機(jī)電一體化軸承，它綜合運(yùn)用了機(jī)械學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)、電子學(xué)、控制理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，是一項(xiàng)高科技前沿技術(shù)。
按磁浮軸承的工作原理，可將其分為如下幾類(lèi):
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(dòng)機(jī)和離心分離機(jī)上。
完全無(wú)接觸式這一類(lèi)又可細(xì)分為無(wú)控制型、交流控制型和直流控制型。
利用抗磁體和超導(dǎo)體有可能實(shí)現(xiàn)完全無(wú)控制式懸浮，但前者的懸浮重量太輕，難以實(shí)際應(yīng)用，后者設(shè)備昂貴，應(yīng)用場(chǎng)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(xiàn)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(dòng)控制式(單軸主動(dòng)控制) 、徑向主動(dòng)控制式(兩軸或四軸主動(dòng)控制) 和全方向主動(dòng)控制式( 五軸主動(dòng)控制)。
此外，磁浮軸承還有許多分類(lèi)方法，如按懸浮方式分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，工業(yè)上主要應(yīng)用主動(dòng)式磁浮軸承(Active Magnetic Bearing，縮寫(xiě)為AMB ，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)磁軸承：按結(jié)構(gòu)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(diǎn)
與其它軸承相比，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在無(wú)機(jī)械接觸和特性可控制兩個(gè)方面。
3.1 無(wú)機(jī)械接觸方面的優(yōu)點(diǎn)
無(wú)機(jī)械接觸，因而無(wú)磨損，其壽命實(shí)際上是控制電路元器件的壽命，比接觸式軸承壽命長(zhǎng)得多：
無(wú)須潤(rùn)滑，可省去泵、管道、過(guò)濾器、密封元件，也不會(huì)因潤(rùn)滑劑而污染環(huán)境，因此特別適合于真空技術(shù)和無(wú)菌車(chē)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(qiáng)度限制，這為設(shè)計(jì)具有全新結(jié)構(gòu)的大功率機(jī)器提供了可能。
3.2 特性可控制帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)
磁浮軸承的動(dòng)態(tài)特性可控制、優(yōu)化，其動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，可使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運(yùn)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(hào)的測(cè)量精度，不受其它因素影響：
便于對(duì)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)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(dòng)和穩(wěn)定轉(zhuǎn)子，而且還可作為激振器使用，利用激振信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)可以識(shí)別一些尚屬未知的轉(zhuǎn)子特性。
當(dāng)然，磁浮軸承也有不足之處，主要是必須外加控制裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高(不過(guò)已看到了大幅降低成本的前景)。
4 磁浮軸承的發(fā)展趨勢(shì)
目前，國(guó)外在磁浮軸承的研究工作上非?；钴S。1988年在瑞士召開(kāi)了第一屆國(guó)際磁軸承會(huì)議，此后每?jī)赡暾匍_(kāi)一次，1991年美國(guó)航天管理局還召開(kāi)了一次磁懸浮技術(shù)在航天技術(shù)中的應(yīng)用討論會(huì)。現(xiàn)在，美國(guó)、法國(guó)、瑞士、日本和我國(guó)等許多國(guó)家都在大力支持磁懸浮的研究工作，國(guó)際上的這些努力，必將大大推動(dòng)磁浮軸承的發(fā)展和在工業(yè)上的應(yīng)用。
磁浮軸承的發(fā)展將主要集中在以下幾個(gè)方面:
超導(dǎo)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(jìn)展在很大程度上依賴(lài)于高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，近幾年很難有大的突破。
自檢測(cè)磁浮軸承:傳統(tǒng)的磁浮軸承需要傳感器來(lái)檢測(cè)信號(hào)，由于傳感器的存在，使軸承的軸向尺寸變大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能降低，而且成本高，可靠性低。而自檢測(cè)磁浮軸承，不需要位移傳感器，可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)并降低制造成本，在工業(yè)上具有很廣闊的應(yīng)用前景。本項(xiàng)目(動(dòng)力磁懸浮軸承系統(tǒng)的研究) 以及我們以前進(jìn)行的航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(航空用無(wú)傳感器磁懸浮軸承系統(tǒng)的研究，批準(zhǔn)號(hào)為98C52025) 就是研究這種磁浮軸承的實(shí)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(chǎng)取代電磁鐵偏磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，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(dòng)機(jī)上有很好的應(yīng)用前景。
基于全局的優(yōu)化設(shè)計(jì):除了要讓磁浮軸承自身以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)滿(mǎn)足相應(yīng)的機(jī)械要求外，還應(yīng)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(jì)性，以便為磁浮軸承的產(chǎn)品化創(chuàng)造一個(gè)更廣闊的應(yīng)用前景。
采用各種先進(jìn)的控制器和功率放大器:為了達(dá)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(lái)越重要，控制器的數(shù)字化、集成化和計(jì)算機(jī)化使磁浮軸承的硬件系統(tǒng)趨于結(jié)構(gòu)化、模塊化，這有利于它的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和商品化。而相應(yīng)發(fā)展的軟件越來(lái)越多地采用基于現(xiàn)代控制理論來(lái)達(dá)到各種控制算法，如滑模控制、非線(xiàn)性模糊控制、自適應(yīng)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(kāi)關(guān)功放等來(lái)取代連續(xù)功放。
浮軸承的推廣應(yīng)用:因?yàn)榇鸥≥S承尚處于發(fā)展階段，用戶(hù)還不具備設(shè)計(jì)磁浮軸承的基本知識(shí)，因此研究人員一直追求磁浮軸承在工業(yè)設(shè)備上地應(yīng)用這個(gè)目標(biāo)。而且，應(yīng)用和研究是相輔相成地，通過(guò)推廣應(yīng)用，也可不斷提高磁浮軸承的研究水平。