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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。
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一、特点与分类
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2 @' f8 f; o3 y5 F1 M0 p 1.特点
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. n; G; m- y+ F- N- ?$ x ①摩擦小,功耗低,可实现超高速运转。 / A4 y* A. z& m8 j& v2 c
: \! i2 ~6 e: U ②支承精度高,工作稳定,可靠。
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③可在高温、深冷及真空环境下运转。 + v9 O, Y- T1 N
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④结构复杂,要求条件苛刻,对环境有磁干扰,但无其他污染。
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2.分类 ! _, M& g A* B4 ?" S) t# B2 s4 m
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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。 * o1 j% h4 l- H4 T: q/ Q
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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。 * v. W" Y; K0 @5 H g) k' Q
: ]$ m+ C& ?6 {8 [5 D/ N$ O 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。 5 z" y$ g, J* E6 M) p2 r" ?& ]6 V) b
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②直流激励型轴承只能是有源型(主动型)。
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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。 ; u/ v& a: k& Q! ~9 W
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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。 6 ~8 p E* L" L0 p# Z
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二、几种典型的磁力轴承
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1.永磁型磁力轴承 # E2 L0 M. k# K5 v
- y) b1 k4 C9 J) c! D 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。 ; O! [; f* g( ?1 L. ~2 }
( K/ ?. q8 Y, W- o7 d2 L; P# F 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。
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; T# R; c" L3 \ 2.被动式交流激励型磁力轴承
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" O9 y1 e! T2 G9 @& C5 U) j. v. D& V (1)推力轴承 , N, e0 r7 w; n& u9 |& k
# x. X6 R3 A3 k) N' Y 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。 . q/ R3 l+ |) w- Y( M
! G' c& U: E& }( f 三、磁力轴承的应用实例 $ F; J9 D7 F8 ]' O9 F
9 a* _5 z' o5 I) R/ t, H4 l9 c 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。
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% L# p, w& r- I# R 1.机床中的应用 在机床主轴中的应用有限,属试用性质。 ) I+ X; e$ |4 v% `& Y' N
/ M9 R" O0 g | (1)精密机床主轴
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5 C' x. \7 B% ^4 y8 q r 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。
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(2)超精透镜车床
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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。 $ G6 \5 Q" Y, D$ E
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2.精密仪器中的应用
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$ x7 P2 M" o0 x5 j- b( R 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。
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3.泵类中的应用 - s- q, v4 c( l2 U5 F
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(1)血液泵
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2 Q2 F C5 v, b. n0 t- m7 v 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。
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% G% a X# I& y8 s (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。 3 q0 K' z/ [4 U7 @* S
& N1 d# j J& c R8 b7 v5 I1 F 4.空间技术中的应用
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* m# k5 g! Q8 k, |1 G8 H7 ~- [ 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。
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5.物理实验中的应用 8 s/ [( H$ j; Y
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(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。
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- F* c& D2 W2 B% o) @3 j* t9 T (2)中子选择器
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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。* U2 j8 f$ i8 l
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