磁力轴承的应用

刘绍华666

　　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。
$ _4 D" ]# i3 l+ X3 }  {　　一、特点与分类
" k# i: u! E7 K8 a  r  [　　1.特点
　　①摩擦小，功耗低，可实现超高速运转。
  f% F2 q' Y# Y9 d8 h: d' M　　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。
　　④结构复杂，要求条件苛刻，对环境有磁干扰，但无其他污染。
　　2.分类
　　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。　　
  x- a5 Y/ d" \  Z) J) X7 h8 P4 b  s/ p　　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)。
& P8 t) v! P6 j$ \: E/ V6 D　　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。
6 L" M& L! d: |5 T7 P2 p　　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。
　　二、几种典型的磁力轴承
0 p! B  u6 y9 v) x" C4 w　　1.永磁型磁力轴承
6 w9 e3 E/ O- Q% i  X& R- D  W　　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。
$ @+ k+ i& @. n- q　　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。
4 B9 i& f, U6 z/ Y# Y5 M　　2.被动式交流激励型磁力轴承
2 c& V$ c5 M  }+ |! N: Z　　 (1)推力轴承
　　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
) X7 ^* d- z2 s　　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。
  H2 \! j2 W  ]% O　　1.机床中的应用 在机床主轴中的应用有限，属试用性质。
　　(1)精密机床主轴
　　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。
　　(2)超精透镜车床
　　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。
4 q, [. \8 u; l　　2.精密仪器中的应用
( H" L: T  W$ y' E9 z- x/ 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。
5 G; C" a0 a+ o: h　　3.泵类中的应用
　　(1)血液泵
0 g5 S) g9 ]- x% w! a　　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。
7 M6 C  s# t3 U! A/ G" a% s: X　　(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 t- l( I- C- [/ Y: x+ E2 o/ b* C　　4.空间技术中的应用
　　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! R) z( l) o8 D8 \' B　　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。
  D6 g( T, y" L* S" C* c　　(2)中子选择器
( Z' j# k0 q1 C6 Q. x  f, x　　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。
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