静电轴承
电磁轴承
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概述 |
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利用电场力或磁场力使轴悬浮的轴承统称为电磁轴承。其中靠电场力使轴悬浮的轴承称为静电轴承；靠磁场力使轴悬浮的轴承称为磁力轴承或磁悬浮轴承 电磁轴承是典型的机械电子产品。伴随着现代科学技术的进步和多学科相互溶合、渗透的过程，电磁轴承综合了包括机械学、动力学、控制工程、电磁学、电子学和计算机科学等多领域的最新成果，从而成为现代支承技术中最有前景的高新技术 电磁轴承使被支承的转子无接触地悬浮起来，这一独特性能是其他支承型式无法媲美的。电磁轴承技术的应用在支承技术领域具有革命性的意义，具有无接触、无磨损、性能可靠、工作转速高、功耗小、使用寿命长、不需要维修、无润滑剂污染等特点 电磁轴承的另一个突出优点是可对振动进行主动控制。通过在线参数识别和调整、自动不平衡补偿等，使对转子系统的控制达到很高的精度。另外转子系统的运行状态和振动信息可以同时由其中的控制、测量环节得到，并可极为方便地融入旋转机械装备的工况监测及故障诊断系统之中 目前，电磁轴承中以磁力轴承应用较多。在国外，磁力轴承已被成功地应用于数百种产品中，在国内，磁力轴承的应用已开始进入实用阶段 |
静电轴承
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静电轴承 |
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利用电场力使轴悬浮的滑动轴承称为静电轴承，又称为电悬浮轴承。这是一种20世纪50年代出现的新型滑动轴承。它结构紧凑、功耗小。由于轴承处于高真空中并有良好的磁屏蔽，所以它几乎没有摩擦，有害力矩(对精密仪表有影响)远比磁力轴承小。但是，即使有相当高的电场强度，产生的支承力仍比较小，所以一般只用于一些微型的精密仪器中，例如静电陀螺仪、静电加速度和超高真空规等 |
静电轴承的基本原理
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静电轴承的基本原理 |
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轴和轴承相当于两个电极，电极间有一个很小的间隙(轴承间隙)，形成一个电容，如右图所示。在电极上施加电压就会产生静电力。由于间隙h0和轴径d之比极小，可以按平板电容器公式来计算其电容C和静电力F C＝ε0εrA/H0
式中 ε0—— 真空的介电常数，ε0＝8.85×10-12F/m； εr—— 电极间物质的相对介电常数； A—— 电极面积； h0—— 轴承间隙； U—— 电压 式中负号表示静电力为吸力，计算时常略去。若为单电极轴承，则轴承承载能力即为该电极吸力的反向等值载荷。和其他轴承一样，若沿轴的圆周设置Z个电极，则轴承的承载能力是这些电极吸力矢量和的反向等值载荷，即
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静电轴承原理 1—测量电极；2—加力电极；3—转子； 4—放大线路；5—位移传感器 |
静电轴承的分类
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静电轴承的分类 |
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静电轴承按控制方式分为无源型和有源型两种。由伺服控制使轴承稳定运转的属有源型，靠自身电磁参数调谐，或者采用非调谐的电桥电路，使轴承稳定运转的，属无源型，LC调谐回路与有源型控制回路原理图和特点见下表。静电轴承根据轴颈几何形状可分为平面型、圆柱型、圆锥型和球型 两种静电轴承的比较 |
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线路 名称 |
LC调谐回路 |
有源型控制回路 |
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典 型 线 路 |
E—— 电源电压，V； L—— 谐振电感，H； C0—— 转子处于平衡位置时的电容量，F； U0—— 转子处于平衡位置时的谐振电压，V； ΔC、ΔU—— 由于转子位置变化量Δx引起的电容、电压变化量 |
1—量测变压器；2—高放；3—检相； 4—校正；5—差放；6—调制功放 |
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特 点 |
利用转子与支承电极间的电容 C 随间隙变化而变化的特点，在线路中串或并入电感 L，构成谐振回路 |
通常使用电容电桥位移传感器测量转子的位移。在测量变压器输出端得到正比于转子位移的信号，经放大、检相为直流电压，由差放分为两路并调制成交流信号，再经功放和高压变压器将电压加到支承电极 |
静电轴承的常用材料与结构参数
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静电轴承常用材料及荐用参数 |
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参 数 名 称 |
荐 用 值 |
附 注 |
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电参数 |
外加电压 /V 电场强度 /MV·m-1 |
2000~4000 40~50 |
受击穿场强限制 |
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几何参数 |
轴承相对间隙 /m 形状误差 表面粗糙度参数 Ra/μm |
(2~10)×10-4 小于间隙值的1/10~1/100 ＜0.1 |
按电压和加工精度确定 按仪器要求精度确定最小误差 影响击穿场强 |
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环境参数 |
真空度 /Pa |
常在真空环境，真空度高于1.33×10-4 |
真空度低，击穿场强也低 |
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常 用 材 料 |
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壳体或定子 电 极 转 子 |
金属、陶瓷(Al2O3、BeO等) 钢、铜、铝、镍等 铝、铍、石英等 |
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静电轴承的设计与计算
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静电轴承的设计与计算 |
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设计步骤大致如下：①选择轴承结构型式及轴承材料；②根据承载能力和刚度要求，确定轴承尺寸和极板总面积；③确定极板数(一般2～12极)和轴承间隙，计算初始电参数；④选择电源(交流或直流)决定控制方式；⑤建立转子动力方程，设计控制系统参数；⑥核算承载能力和刚度，如不满足要求需重新确定参数，直至满足为止；⑦进行系统动态分析；⑧进行电子线路设计 平面型、谐振式回路控制的止推静电轴承的承载能力和刚度计算见表平面型谐振式支承回路静电轴承的性能计算 |
平面型谐振式支承回路静电轴承的性能计算
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平面型谐振式支承回路静电轴承的性能计算 |
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回路 |
示 意 图 |
计 算 公 式 |
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并 联 谐 振 |
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承 载 能 力 /N |
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刚 度 /N·m-1 |
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串 联 谐 振 |
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承 载 能 力 /N |
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刚 度 /N·m-1 |
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备
注 |
C0—— 一个电极在无偏心时的电容，F；ω—— 角频率，rad/s；C—— 一个电极的漏电容，F；f—— 电源频率，Hz； Le—— 等效并联电感，H；Ge—— 等效并联电导，S；ε—— 偏心率；h0—— 转子无偏心时的间隙，m；εr—— 相对介电常数，对真空εr＝1；A—— 电极面积，m2；I—— 电流，A；U—— 电压，V |
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应用举例-静电轴承陀螺仪
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应用举例——静电轴承陀螺仪 |
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静电轴承陀螺仪是最重要的静电轴承应用实例，静电轴承陀螺仪结构如图所示。主要由下列几部分组成 |
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①球形转子 有空心薄壁球和实心球两种结构。空心球的典型外径为50mm或38mm，壁厚为0.4～0.6mm，在赤道处加厚，使极轴成为惟一稳定的惯量主轴。通常采用铍材料制成半球，由真空电子束焊成球形，然后在专用设备上精研，使球度误差小于0.2μm，表面粗糙度参数Ra＜0.05～0.012μm。实心球的典型外径为10mm，球度误差小于0.05μm ②壳体与电极 通常采用氧化铝(Al2O3)或氧化钡(BeO)陶瓷材料制成密闭球腔，球腔内壁镀上电极，电极有6块、8块和12块等几种。电极腔和转子之间隙约为50～100μm ③光电角度传感器 用来检测静电陀螺仪壳体相对于自转轴的角度，在极轴方向和赤道上各装一只 ④钛离子泵 用来吸收球腔内的残余气体分子，以保证静电陀螺仪陶瓷腔体内的真空度不低于0.133×10-3Pa ⑤旋转线圈和力矩器 在陶瓷壳体外部安装按正六面体分布的三对线圈，它们产生的磁场相互正交。转子自转方向为z轴，在x轴和y轴方向的线圈中通以两相交流电，就会产生一个z轴方向的旋转磁场，使转子转动。给x、y、z三个线圈分别通以直流电，用三个直流磁场可以控制动量矩向量的运动 通常，静电陀螺仪的漂移误差为10-6(°)/h，为其他类型轴承支承的陀螺仪的1/1000，在失重低温状态下，最精密的静电轴承支承的陀螺仪，预期其漂移误差可小到10-3(")/a |
静电轴承陀螺仪结构 1—转子；2—顶端刻线；3—顶端光电传感器； 4—阻尼线圈；5—陶瓷电极；6—侧向光电传感器； 7—侧向刻线；8—旋转线圈；9—钛离子泵 |
