磁力轴承
磁力轴承
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磁力轴承 |
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磁力轴承是利用磁场力使轴悬浮的轴承，故又称磁悬浮轴承。它无需任何润滑剂，无机械接触，因而无磨损，功耗也小，约为普通滑动轴承的1/10~1/100。通过电子控制系统可控制轴的位置，调节轴承的阻尼和刚度，使转子具有良好的动态稳定性能。它能在真空、低温、高温、低速、高速等各种特殊环境下工作 随着电子控制技术的进步，磁性材料、电子器件、超导技术、微处理机和大规模集成电路的发展和价格下降，过去因技术复杂、价格昂贵，仅用于特殊场合；现应用范围逐步扩大，可靠性不断提高 |
磁力轴承的分类与应用
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磁力轴承的分类与应用 |
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磁力轴承的分类见表磁力轴承的分类 无源型轴承不可能在空间坐标三个方向上都稳定，至少在一个方向上要采用有源型。有源型磁力轴承的主要特点是具有敏感偏心变化的位置传感器和反馈系统或伺服控制系统，有交流激励型和直流激励型两种 有源交流激励型磁力轴承的信号反馈方法，通常采用电感-电容电桥电路、电感-电阻电桥电路、差动变压器、求和电阻、相位漂移电路和比较时间滞后效应等。有源交流激励型磁力轴承的控制方式分为脉冲式和时分式两种。两种控制方式都用轴承励磁线圈交替地作为位移传感器和力发生器，不同之处在于：前者是将预定幅值和宽度的恒定脉冲电流馈入线圈，从而产生承载力，脉冲数越多，承载能力越大；后者是改变线圈中直流电流大小，从而产生大小不同的承载力，电流越大，承载能力越大 有源直流激励型磁力轴承应用较多，其控制方法包括磁通控制、位移控制以及无传感器轴承中所采用的电感控制等，控制手段分数字控制和模拟控制两种，控制策略包括PID控制、LQG控制、H∞控制及μ综合、时间延迟控制、模糊控制、自适应控制、滑模控制等。整个闭环系统由传感器、控制器、功率放大器、轴承-转子系统构成 磁力轴承主要应用于精密陀螺仪、加速度计、空间飞行器姿态飞轮、密度计、流量计、同步调相机、精密电流稳定器、振动阻尼器、真空泵、功率表、钟表、超高速离心机、金属提纯设备、超高速磨头、精密机床、水轮发电机、大型电动机、发电机、汽轮机、气体压缩机、抽风机等 |
磁力轴承的分类
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磁力轴承的分类 |
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名 称 |
简 图 |
特 点 |
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按 控 制 方 式 |
无 源 型 磁 力 轴 承 |
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利用调整本身激磁参数的方法，实现轴承的稳定运转，故又称被动稳定型磁力轴承。结构简单，但刚度小，损耗较大 |
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有 源 型 磁 力 轴 承 |
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利用各种电的或机械的传感器、桥式网络电或磁参数的变化、光束或其他方法来敏感轴的位置的变化，进行伺服控制，以实现轴承的稳定运转，故又称主动控制型磁力轴承。与无源型比较，刚度大、响应速度快、功耗小，可实现5个自由度的控制，但需要外控回路 |
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有 源 无 源 混 合 型 磁 力 轴 承 |
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兼有有源型和无源型磁力轴承的特点 |
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按磁能来分 |
永 磁 型 磁 力 轴 承 |
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结构简单，无控制系统和调谐电路，功耗小。但刚度小，稳定性差，采用一般的永磁材料有退磁作用，配合不当还会出现反转。大型轴承装配困难 |
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激 励 型 磁 力 轴 承 |
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利用电磁铁原理，配有控制系统或调谐电路。结构多样，承载能力和刚度大，稳定性好，应用广泛。但体积大，功耗高 |
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激 励 永 磁 混 合 型 磁 力 轴 承 |
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兼有永磁型和激励型磁力轴承的特点，应用广泛 |
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超 导 体 型 磁 力 轴 承 |
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电磁铁激励线圈为超导体线圈(置于液氮中)，可使磁场强度提高十几倍甚至更高，承载能力极高 |
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按结构型式 |
径 向 轴 承 |
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提供径向承载力 |
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止 推 轴 承 |
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只能提供轴向承载力 |
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组
合
轴
承 |
锥 型 轴 承 |
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结构紧凑，可靠性高。能同时提供径向和轴向承载能力。但轴向和径向位移都相当大时会产生轴向和径向耦合干扰 |
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T 型 轴 承 |
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容易加工，可靠性高，轴向和径向耦合干扰比锥型轴承小。磁通垂直于叠片平面，所以工作频率受到限制 |
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阶 梯 型 轴 承 |
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结构紧凑，工艺性好，可以利用多种磁性材料组合，以适应使用要求 |
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球 型 轴 承 |
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可提供三向承载能力，多用于陀螺仪等仪表 |
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边 缘 磁 场 型 轴 承 |
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当轴径向偏移时，齿出现偏移，边缘磁通产生径向力使轴向复原位 |
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磁力轴承的性能计算
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磁力轴承的性能计算 |
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永磁型磁力轴承的承载能力和刚度取决于永磁材料种类，磁极的布置，磁极的面积、形状和厚度，轴承间隙以及软磁钢部分的尺寸。因此要进行理论计算比较困难。最简单的方法是实验相似法，借助几种用实验已测定出承载能力的结构，对相同的材料和结构，只要设计轴承的尺寸和间隙具有和实验轴承同样的比值，则其承载能力与磁铁任一线性尺寸的平方成正比 任何一种材料和结构的永磁型磁力轴承都有一最大尺寸，在此尺寸上，轴承就不能支承其本身质量 永磁型径向轴承和止推轴承的承载能力估算公式见表永磁型轴承的承载能力计算公式。交流激励型磁力轴承的承载能力和刚度估算公式见表交流激励型磁力轴承承载力与刚度公式。直流激励型磁力轴承的承载能力和刚度估算公式见表直流激励型磁力轴承的承载能力和刚度估算公式 |
永磁型轴承的承载能力计算公式
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永磁型轴承的承载能力计算公式 |
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轴承 类别 |
止 推 轴 承 |
径 向 轴 承 |
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结 构 示 意 图 |
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承 载 能 力 公 式 |
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备 注 |
ξ—— 结构型式系数；Hc—— 永磁材料的矫顽力，A/m；μ0—— 真空磁导率，H/m；μ0＝4π×10-7H/m；μr—— 相对磁导率；A—— 轴承面积，m2；h—— 轴承间隙，m； δ—— 永磁铁厚度，m； |
ξ—— 轴承宽度系数；M1、M2—— 外内磁环材料的磁化强度(A/m)； n—— 磁环介质表面单位外法线矢量；R1、R2—— 外磁环内外半径，m；r1、r2—— 内磁环内外半径，m；α—— 内磁环中心 Q' 到磁元 p 的矢径与 y 轴的夹角；B—— 轴承宽度，m；e—— 偏心距，m； |
交流激励型磁力轴承承载力与刚度公式
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交流激励型磁力轴承承载力与刚度公式 |
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轴承 类型 |
径 向 轴 承 |
双 向 止 推 轴 承 |
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串 联 调 谐 |
并 联 调 谐 |
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示 意 图 |
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荐 用 参 数 |
气隙磁通密度 Ba＝(0.05～0.3)T 铁心磁通密度 Be≤0.6BsT
激磁频率 f ＞400Hz h0＝(0.25～0.5)×10-3m |
品质因数 Q0＞10、Q≈1
Bs 为饱和磁通密度，T；轴承间隙 h0＝(h1+h2)/2＝(0.25～0.5)×10-3m 激磁频率f＝400～13000Hz |
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承 载 能 力 与 刚 度 |
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功耗 |
2.83IU |
1.41IU |
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备 注 |
Km—— 磁极系数，不超过 8 级为1； Q0—— 品质因数， Qc—— 电容器品质因数；Q＝QL-Qc； m—— 磁极数； ω—— 电源频率，Hz； R—— 线圈直流电阻，Ω； C—— 调谐电容，F； Z—— 线圈匝数； U—— 电压有效值，V； I—— 电流有效值，A； A—— 轴承面积，m2； ε—— 偏心率； μ0—— 真空磁导率，H/m，μ0＝4π×10-7H/m； μr—— 相对磁导率； α—— 极靴包角，rad； D—— 轴承直径，m；B—— 轴承宽度，m |
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直流激励型磁力轴承的承载能力和刚度估算公式
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直流激励型磁力轴承的承载能力和刚度估算公式 |
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轴承 类型 |
径 向 轴 承 |
止 推 轴 承 |
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示 意 图 |
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荐 用 参 数 |
气隙磁通密度 Ba＝0.05～0.3T 铁心磁通密度 Be≤0.6BsT h0＝(0.25～0.5)×10-3m |
气隙最大磁通密度 Bam≤0.8BsT Bs 为饱和磁通密度，T；轴承间隙 h0＝(h1+h2)/2＝(0.25～0.5)×10-3m |
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承 载 能 力 与 刚 度 |
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功 耗 |
I0U |
I0U |
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备 注 |
m—— 磁极数；N—— 线圈匝数；U—— 电压有效值(V)；I0—— 直流偏磁，A；Aa—— 磁路有效截面积，m2；e—— 位移，m；μ0—— 真空磁导率，H/m，μ0＝4π×10-7H/m；h0—— 转子处于中间位置时的间隙，m；Ks—— 位移刚度系数，N·m-1；Ksi—— 电流刚度系数，N·A-1；i—— 由于转子位移引起的控制电流，A |
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磁力轴承的材料
磁力轴承常用材料
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磁力轴承常用材料 |
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材 料 类 别 |
永 磁 材 料 |
软 磁 材 料 |
超 导 材 料 |
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名 称 |
铁氧体 铝镍钴合金 稀土钴 钕铁硼合金 |
高硅合金 硅镍铁合金 镍铁合金 坡莫合金 铁铝合金 软磁铁氧体 |
钡镧铜氧系列 钇钡铜氧系列 铋锶钙铜氧系列 铊钡钙铜氧系列 |
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性能要求 |
磁能积高 抗去磁性好 温度稳定性好 磁性能稳定 可加工性好 |
磁导率高 铁损耗低 磁对形变不敏感 力学稳定性好 可加工性好 |
临界温度高 |
永磁材料性能
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永磁材料性能 |
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材料名称 |
代 号 |
磁 性 能 |
密度ρ /g·cm-3 |
剩磁温度系数 /℃-1 |
特 性 |
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剩余磁感应强度 Br/T |
矫顽力 Hc/kA·m-1 |
磁能积 (BH)max/kJ·m-3 |
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铁氧体 |
H10 |
≥0.2 |
127~159 |
6.4~9.5 |
4.5~4.8 |
约0.18% |
各项同性 |
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H35 |
0.38~0.42 |
159~215 |
26~29 |
4.0~5.2 |
约0.18% |
各项异性 |
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铝镍 钴合金 |
AlNiCo5 |
1.14~1.20 |
44.6~46.2 |
35~39.8 |
7.4 |
— |
各项同性 |
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AlNiCo8 |
0.75~1.10 |
95.5~107 |
31.8~71.6 |
7.4 |
— |
各项异性 |
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稀土钴 |
XH40 |
0.35~0.45 |
199~318 |
23.9~39.8 |
7.8~8.4 |
约0.04% |
— |
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XH100 |
0.55~0.80 |
279~557 |
59.7~99.5 |
7.8~8.4 |
约0.04% |
— |
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XH150 |
0.75~0.90 |
358~537 |
99.5~139 |
7.8~8.4 |
约0.04% |
— |
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XH200 |
0.85~1.00 |
477~716 |
139~179 |
7.8~8.4 |
约0.04% |
— |
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钕铁 硼合金 |
— |
1.00~1.25 |
577~916 |
191~287 |
— |
约0.12% |
— |
