磁力軸承的應用
2015-04-30
磁力軸承是靠磁場力支承載荷或懸浮轉子的一種支承形式。這種軸承近年來發展很快，特別在高速、低摩阻、高(低)溫及真空環境下的應用。磁力軸承與其他支承形式相比有其獨特的優越性，很有發展前景。
一、特點與分類
1．特點
①摩擦小，功耗低，可實現超高速運轉。
②支承精度高，工作穩定，可靠。
③可在高溫、深冷及真空環境下運轉。
④結構復雜，要求條件苛刻，對環境有磁干擾，但無其他污染。
2．分類
磁力軸承根據其控制方式、磁能來源、結構形式等分類。此外，還可以按磁場類型劃分為永久磁鐵型、電磁鐵型和永久磁鐵—電磁鐵混合型。也可按軸承懸浮力類型劃分為吸力型和斥力型。超導磁力軸承還分為低溫超導和高溫超導兩種。
以上各種分類中不同類型之間還存在一些特殊限制，應特別注意?！ ?br /> ①永磁型軸承只能是無源型(被動型)，而無源型軸承不可能在3個方向上都穩定，至少有1個方向應采用有源型。
②直流激勵型軸承只能是有源型(主動型)。
③純電磁鐵型軸承只能是5自由度控制型軸承，其體積、質量和功耗都比較大。
④斥力型磁力軸承，由于磁力利用率低，結構較吸力型復雜，一般很少采用。
二、幾種典型的磁力軸承
1．永磁型磁力軸承
永磁型磁力軸承是由永久磁鐵制成的，可做成各種形狀。軸承的承載能力和剛度決定于永磁材料的種類，磁極的形狀、面積、厚度和配置方式，軸承間隙，以及軟磁鋼部分的尺寸。這種軸承的理論計算十分困難，常采用“實驗相似法”進行結構設計。即用實驗方法確定幾種典型軸承結構，測出其承載能力、剛度值。新設計軸承只要取相同的材料，結構形式與尺寸按比例確定，其性能即可按比例求出，如承載能力與軸承特征尺寸的平方成比例等。
經驗證明，增加磁鐵厚度和采用軟磁鋼極靴結構，對提高軸承的承載能力是有效的。值得特別注意的是，永磁軸承無論取哪種永磁材料和任何結構形式，都有一最大尺寸限制，一旦超過該尺寸，軸承就不能支承其自身的重量。所以，永磁軸承不能設計得過大。
2．被動式交流激勵型磁力軸承
(1)推力軸承
推力軸承通常都是成對組合式，每個軸承就是一個電磁鐵。鐵心幾何形狀一般為E形、U形或圓環形。調諧方式分串聯和并聯兩種。
三、磁力軸承的應用實例
磁力軸承目前還處于研究開發階段，其應用多半是實驗性的，未形成批量生產，也未商品化。
1．機床中的應用 在機床主軸中的應用有限，屬試用性質。
(1)精密機床主軸
法國S2M公司制造了采用5自由度控制磁力軸承支承的精密主軸，其徑向軸承的dn值為4X106mm·r／min，軸頸線速度為200m／s，推力軸承的dn值為8X106mm·r／min，止推軸頸線速度為400m／s。
(2)超精透鏡車床
法國S2M公司由主動磁力軸承支承的超精透鏡車床主軸，轉速2000r／min，功率lkW，加工精度0．05ttm。
2．精密儀器中的應用
英國國家物理實驗室研制了采用磁浮導軌的自動分辨測量儀，在lkHz的頻帶內，支承剛度為175N／gm，分辨率達0．1nm。
3．泵類中的應用
(1)血液泵
日本東京大學與NTN公司合作研制的磁力軸承血液泵。主軸由5自由度主動控制型磁力軸承支承，進口徑向軸承的承載能力為18N，出口軸承徑向承載能力為22N，推力軸承的承載能力為9．2N。
(2)循環泵 法國SEP公司采用S2M公司的主動型磁力軸承研制開發出火箭發動機用液氧、液氫循環泵。
4．空間技術中的應用
日本NAL＆MELCO和NAL＆TOSIBA公司用主動型磁力軸承支承空間姿態控制慣量輪。
5．物理實驗中的應用
(1)高精密粒子束變換器 德國Uranit公司推出了三種用磁力軸承支承轉子的粒子束變換器。
(2)中子選擇器
德國KFA公司制造的中子選擇器，采用單自由度被動型磁力軸承支承轉子，轉速為36000r／min。
一、特點與分類
1．特點
①摩擦小，功耗低，可實現超高速運轉。
②支承精度高，工作穩定，可靠。
③可在高溫、深冷及真空環境下運轉。
④結構復雜，要求條件苛刻，對環境有磁干擾，但無其他污染。
2．分類
磁力軸承根據其控制方式、磁能來源、結構形式等分類。此外，還可以按磁場類型劃分為永久磁鐵型、電磁鐵型和永久磁鐵—電磁鐵混合型。也可按軸承懸浮力類型劃分為吸力型和斥力型。超導磁力軸承還分為低溫超導和高溫超導兩種。
以上各種分類中不同類型之間還存在一些特殊限制，應特別注意?！ ?br /> ①永磁型軸承只能是無源型(被動型)，而無源型軸承不可能在3個方向上都穩定，至少有1個方向應采用有源型。
②直流激勵型軸承只能是有源型(主動型)。
③純電磁鐵型軸承只能是5自由度控制型軸承，其體積、質量和功耗都比較大。
④斥力型磁力軸承，由于磁力利用率低，結構較吸力型復雜，一般很少采用。
二、幾種典型的磁力軸承
1．永磁型磁力軸承
永磁型磁力軸承是由永久磁鐵制成的，可做成各種形狀。軸承的承載能力和剛度決定于永磁材料的種類，磁極的形狀、面積、厚度和配置方式，軸承間隙，以及軟磁鋼部分的尺寸。這種軸承的理論計算十分困難，常采用“實驗相似法”進行結構設計。即用實驗方法確定幾種典型軸承結構，測出其承載能力、剛度值。新設計軸承只要取相同的材料，結構形式與尺寸按比例確定，其性能即可按比例求出，如承載能力與軸承特征尺寸的平方成比例等。
經驗證明，增加磁鐵厚度和采用軟磁鋼極靴結構，對提高軸承的承載能力是有效的。值得特別注意的是，永磁軸承無論取哪種永磁材料和任何結構形式，都有一最大尺寸限制，一旦超過該尺寸，軸承就不能支承其自身的重量。所以，永磁軸承不能設計得過大。
2．被動式交流激勵型磁力軸承
(1)推力軸承
推力軸承通常都是成對組合式，每個軸承就是一個電磁鐵。鐵心幾何形狀一般為E形、U形或圓環形。調諧方式分串聯和并聯兩種。
三、磁力軸承的應用實例
磁力軸承目前還處于研究開發階段，其應用多半是實驗性的，未形成批量生產，也未商品化。
1．機床中的應用 在機床主軸中的應用有限，屬試用性質。
(1)精密機床主軸
法國S2M公司制造了采用5自由度控制磁力軸承支承的精密主軸，其徑向軸承的dn值為4X106mm·r／min，軸頸線速度為200m／s，推力軸承的dn值為8X106mm·r／min，止推軸頸線速度為400m／s。
(2)超精透鏡車床
法國S2M公司由主動磁力軸承支承的超精透鏡車床主軸，轉速2000r／min，功率lkW，加工精度0．05ttm。
2．精密儀器中的應用
英國國家物理實驗室研制了采用磁浮導軌的自動分辨測量儀，在lkHz的頻帶內，支承剛度為175N／gm，分辨率達0．1nm。
3．泵類中的應用
(1)血液泵
日本東京大學與NTN公司合作研制的磁力軸承血液泵。主軸由5自由度主動控制型磁力軸承支承，進口徑向軸承的承載能力為18N，出口軸承徑向承載能力為22N，推力軸承的承載能力為9．2N。
(2)循環泵 法國SEP公司采用S2M公司的主動型磁力軸承研制開發出火箭發動機用液氧、液氫循環泵。
4．空間技術中的應用
日本NAL＆MELCO和NAL＆TOSIBA公司用主動型磁力軸承支承空間姿態控制慣量輪。
5．物理實驗中的應用
(1)高精密粒子束變換器 德國Uranit公司推出了三種用磁力軸承支承轉子的粒子束變換器。
(2)中子選擇器
德國KFA公司制造的中子選擇器，采用單自由度被動型磁力軸承支承轉子，轉速為36000r／min。