主動磁軸承工作原理及特點

2020-11-25 騰訊網

主動磁軸承工作原理

磁軸承是一種新型高性能軸承，在磁懸浮領域中,應用最廣泛的就是主動磁軸承。圖1表明了一個簡單磁軸承的組成部分及其功能。傳感器檢測出轉子偏離參考點的位移,作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信號,然後功率放大器將這一控制信號轉換成控制電流,控制電流在執行磁鐵中產生磁力從而使轉子維持其懸浮位置不變。懸浮系統的剛度阻尼以及穩定性由控制規律決定。

圖1主動磁軸承的工作原理

剛度和阻尼可在物理極限範圍內廣泛地變動,亦可根據技術要求進行調節,甚至可以在運行過程中加以改變。

一個實際的轉子需要多個磁鐵組成,如圖2所示，這些磁鐵由一個多變量控制器相互聯接在一起,相應的硬體示於圖3中。轉子長約0. 8m,質量為12kg，用一個CCD傳感器測量位移並能為微機控制器直接生成數位訊號。該示範轉子的氣隙相當大,為10mm。作為一種新穎的尚未普遍採用的機器部件，磁軸承屬於機械電子這一的產品。

圖2轉子在一個平面內的支承截圖

圖3左、右磁軸承支承的轉子（中間驅動）

支承轉子的主動磁軸承特點

下面介紹的是支承轉子磁軸承的特殊性能，正是由於它具有這些特殊的性能，才使得磁軸承在應用領域倍受青睞。

1、由於磁浮軸承具有無接觸、無潤滑以及無磨損等特點,它可用於真空技術、淨室及無菌車間以及腐蝕性介質或非常純淨介質的傳輸。軸承氣隙一般只有幾十分之一毫米,但在特殊情況下氣隙可達到20mm,此時軸承的承載能力非常小。

2、允許轉子高速旋轉,其轉速只受材料強度的限制。速度的不斷提高,為設計具有全新結構的大功率機器提供了可能性。實際上,如果採用能承受高應力並同時具有優良的軟磁特性的非晶態金屬,圓周速度大約可達350m/s。由於不需要潤滑與密封.而且軸頸直徑可以取得比較大,給設計帶來了很多優越性，如軸的剛性更大且對振動不敏感。

3、軸承的功耗低，僅是傳統軸承功耗的1/5-1/20，降低了運行費用。

4、由於沒有機械磨損,不但維護費用低而且工作壽命長,這也是目前在透平機械中不斷應用磁軸承的主要原因。

5、磁軸承單位面積上的承載力(比載荷)取決於鐵磁材料和軸承磁鐵的設計,大約為20N/cm2 ,也可達到40N/cm2。參考面積是軸承的橫截面積,因而軸承的最大承載能力主要是軸承體積的函數。

6、磁懸浮的動態性能主要取決於所採用的控制規律,這樣就有可能在物理極限內使剛度和阻尼與軸承的工作環境甚至與運行狀態和轉速相適應。術語「剛度」和「阻尼」不僅包括傳統的靜態部分即彈簀和阻尼常數,而且還包括與頻率有關的動剛度。這就使得人們有可能利用磁釉承進行隔振,使轉子平穩地通過臨界轉速,甚至當系統受到非守恆擾動時穩定轉子。

7、轉子的控制精度,例如轉子的迴轉精度,主要取決於控制環節中信號的測量精度。例如，普通的電感傳感器的解析度大約在0.01-0.001mm之間。

8、為了對磁軸承實施控制，需要對轉子的全部或部分狀態變量進行測量。這些測量信號還可用於不平衡大小的評估和運行工況的在線監測,從而提高了系統的可靠性。

9、磁軸承不僅可以支承轉子.阻尼振動和穩定轉子，而且還可作為激振器使用。對轉子施加激振,利用激振信號和響應信號可以識別一些尚屬未知的轉子特性。

當然,也必須對磁軸承的缺點有所提及,現歸納如下:

1、由於磁軸承尚處於發展階段,不能形成批量生產，而且結構複雜,從而導致磁軸承的價格極高。不過，已經看到了大幅度降低成本的前景。

2、由於用戶尚不兒.設計磁軸承的基本知識,因此這項新技術不大容易被接受。

3、由於磁軸承是一項處F迅速發展中的新技術，目前還很難對它今後的應用作出明確的評估,這種情況和計算機在應用過程中所出現的局面頗有相似之處。

4、在一些特例中,雖然在安全性、可靠性、能耗以及最優設計等方面取得了令人滿意的結果,但是,我們尚需努力對通用的系統設計方法進行研究。

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