磁懸浮軸承介紹

2021-02-20 製冷知識庫

磁懸浮軸承是使用磁力來支撐轉子，由於無直接接觸，因此可基本認為是零摩擦，一方面可以降低機械損耗，另一方面相比其它機械軸承（如滾動軸承、動壓軸承等）保養更為省心，維護成本較低，可以預見磁懸浮軸承的應用將會越來越廣，目前對於製冷領域，部分主流廠家已有磁懸浮機組，南京某公司也有磁懸浮鼓風機，醫療領域也有磁懸浮軸承的身影，如蘇州某公司自主研發的磁懸浮人工心臟，就使用了磁懸浮血泵

磁懸浮軸承通常分為主動式和被動式，被動式軸承是不可能完全自主穩定的，在某一個方向上面還是會引入主動控制或者其它可控力。主動式磁懸浮技術在各行業中都有廣泛應用。主動式磁懸浮技術可以通過軟體的參數配置即可適應不同的應用環境；隨著數字處理晶片處理能力的提高，以及傳感器技術精度的提高以及成本的降低，磁懸浮技術的可靠性將會越來越高，應用也會越來越廣。

磁懸浮軸承的原理很簡單，如下圖所示，在該方向上存在一個豎直向下的重力，我們通過向線圈輸入電流，根據奧斯特電流磁效應，此時會在線圈周圍生成磁場，該磁場會對強導磁體軸產生一個豎直向上的磁力，在該磁力和重力的共同作用下軸便可懸浮在軸中心。當有擾動時，通過高精度位置傳感器，實時檢測軸的位置，然後通過處理器運算輸出控制信號，輸入到功率放大器中，然後再輸出一定的電流到磁力線圈，最終將軸重新穩定在中心位置。

需要注意的是磁場只能對鐵磁體產生吸引力，而不能產生排斥力；對於只有重力的Y方向上述方案是沒問題的，重力方向和大小都不發生變化，其控制也很簡單；但對於外力方向大小和方向都會發生變化的方向，如軸的水平方向，對於鼓風機隨著負荷的不同以及應用工況的不同，其水平方向上的力不僅不發生大小的變化，還會產生方向上的變化。此時可以在軸的左右兩邊各放置一個磁力線圈，從而實現軸的平衡。

但需要注意的是，電流I產生的磁力大小F正比於電流I的平方，越靠近電流為0的區域，其曲線越平，即電流變化很大，力卻變化不大，這對於控制穩定性是非常不友好的，對於控制系統而言，線性度越好，系統控制的穩定性也越高。為此通常的做法是讓產生一定的偏置電流I0(Bias current)，對於圖4，如果左右線圈是相同的，那麼所產生的力也是大小相同的，由於方向上相反，因此仍會平衡。

如果此時需要產生一個Y+方向上的力，那麼可以在Y+方向的線圈上施加Ic的控制電流，在Y-的方向上減去Ic的控制電流，此時產生的力大小為

顯然，如果偏置電流I0保持不變，那麼F~Ic   此時完全轉化為線性關係。

另外在旋轉時，轉軸上的任意一點都會經歷交變磁場，當轉子材料既可導磁，又可導電時，在交變磁場作用下會產生感應渦流，感應渦流不僅會引起熱耗散，同時在趨附效應的作用下，在轉子材料表面對外將會表現為排斥磁力線通過的現象，從而降低了磁力，使得軸承失效。為了避免上述效應，通常會在金屬表面插入不導電的材料，從而形成疊片，打斷渦流通流，減弱趨附效應帶來的負面影響，如下圖所示

另外為了充分利用導磁材料的磁飽和磁通，同時讓控制更加線性以及節能，通常使用永磁體形成偏置磁場，偏置磁通密度B0選擇在鐵磁材料的磁化曲線直線部分的中點，這樣就可以使得電磁鐵在正、負的電磁力基本相等，控制範圍也趨於一致。永磁體材料通常選擇釹鐵硼。

圖片來源 永磁偏置混合式磁懸浮軸承結構與控制系統研究

參考資料:https://www.calnetix.com/

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