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磁力轴承的应用

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发表于 2010-9-11 21:42:28 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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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  1.特点

( W2 A, {( S: D2 a- T5 l$ P" i . 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。

3 [4 e# A) C3 K* h# c |, W. [% |% c" g

  ③可在高温、深冷及真空环境下运转。

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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。

$ t, @, ?$ p' L9 C# K+ u5 _9 x* ^7 w6 ~7 j, `9 l- K

  2.分类

! _, M& g A* B4 ?" S) t# B2 s4 m 3 R3 ]9 A( ]( v0 I+ N

  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 8 k/ Y/ Z1 _6 J6 K

  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 5 R1 ~' A* C3 o3 |4 O

  ②直流激励型轴承只能是有源型(主动型)。

1 G2 z( A' z8 Z+ o8 q/ R. P, s5 X; t9 U6 k+ F% I6 l# N

  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 , p0 w: `2 c! q

  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 2 I# Y$ R( N' B2 Y, O' F

  二、几种典型的磁力轴承

; W0 _/ [# P' T4 x! O: n/ \+ i! |) J* K6 V. q

  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。

5 p/ P6 S+ R1 b7 W ; T# R; c" L3 \

  2.被动式交流激励型磁力轴承

( R' l2 m! h& s, c; X " 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。

# ~- A2 [0 j- D& W% \9 @ % 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

* D% Y' x; e- n, S% \5 L5 v- B 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。

8 p1 S- w: h: m1 m1 |# @- L V2 q O K' T) O- s. ?

  (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 ! \5 g+ I* V& L! k( n k

  2.精密仪器中的应用

+ ^; X/ X( o& j, N% S5 c+ |) Z0 S5 K $ 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。

f$ u! t- C/ ^) Q! o/ I4 w: z" R3 ]9 z

  3.泵类中的应用

- s- q, v4 c( l2 U5 F 2 ]% E+ w. Q& {/ a

  (1)血液泵

: X- }6 N' Z. p 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。

& r/ R2 D! V9 u% Z! g7 w % 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

1 Q7 r1 \% t+ r * 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。

; \' ?, i. v1 m5 L& h% O- v7 w- S3 e8 j* ^3 K7 [

  5.物理实验中的应用

8 s/ [( H$ j; Y : R7 m& V) P" B2 R+ p: b$ G

   (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。

! R0 S7 ~# `& k; I - F* c& D2 W2 B% o) @3 j* t9 T

  (2)中子选择器

6 g+ o8 w$ T0 j. B# T/ \6 W& Q$ T* C- \- j9 p

  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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