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磁浮轴承是什么?

磁浮轴承,是一种新型高性能轴承,是靠磁场力支承载荷或悬浮转子的一种支承形式。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比,磁浮轴承不存在机械接触,转子可以达到很高的运转速度,具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点,特别适用高速、真空、超净等特殊环境。


可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域,被公认为极有前途的新型轴承。


磁浮轴承介绍


磁浮轴承如何工作?



电磁铁布置成径向轴承和轴向轴承的形式,并提供磁拉力以抬起旋转机器的转轴。电磁铁中的电流由一个精确的数字式控制柜调节,提供磁力随时应对外部负载的变化以保持转轴良好居中。这样,转轴被无接触抬起,而且轴承的刚度和阻尼均可由一个数字式控制柜来调节。这些特点增强了高速旋转机器的性能,使设备具有高可靠性、低能耗的显著特点。



磁浮轴承类型



磁浮轴承根据其控制方式、磁能来源、结构形式等分类。此外,还可以按磁场类型划分为永久型、电磁铁型和永久磁铁—电磁铁混合型。也可按轴承悬浮力类型划分为吸力型和斥力型。超导磁力轴承还分为低温超导和高温超导两种


以上各种分类中不同类型之间还存在一些特殊限制,应特别注意:



①永磁型轴承只能是无源型(被动型),而无源型轴承不可能在3个方向上都稳定,至少有1个方向应采用有源型。

②直流激励型轴承只能是有源型(主动型)。

③纯电磁铁型轴承只能是5自由度控制型轴承,其体积、质量和功耗都比较大。

④斥力型磁力轴承,由于磁力利用率低,结构较吸力型复杂,一般很少采用。


磁浮轴承的特点



(1)无接触、无磨损、无润滑:磁悬浮轴承工作时,处于悬浮状态,相对运动表面之间无接触,不产生机械摩擦和接触疲劳,解决了机组部件损耗和更换问题。同时省掉了润滑系统等一系列装置,即节省了空间又不存在前述装置对环境的污染问题。

(2)低振动、低噪声、低功耗:磁悬浮轴承转子避免了传统轴承在运行时的接触碰撞引起的大幅振动以及高分贝噪声,提高了稳定性,降低了维护费用,延长了其使用寿命,同时悬浮磁悬浮轴承的低功耗,仅是传统机械轴承功耗的6%~25%。在转速为10000r/min时,其功耗只有机械轴承的15%左右。

(3)高转速、高精度、高可靠性:允许转子高速旋转,其转速主要受材料强度的限制,可以在超临界,每分钟数十万转的工况下工作,而且转子的回转精度已经达到微米级甚至更高,这是普通机械轴承远远达不到的转速和精度,而且电子元器件的可靠性在很大程度上高于传统的机械零部件。

(4)可控性、可在线工况监测、可测试诊断:我们可以对磁悬浮轴承的静态和动态性能进行在线控制。事实上,其本身系统就实现了集工况监测、故障诊断和在线调节的一体化。

磁浮轴承在经济性分析


技术性分析



随着科技的不断进步与发展,磁浮轴承性能在不断地提升,同时受电子元件的集成化也促使其成本逐年降低。虽然国内外经过多年的探索,磁悬浮产品在不少领域成功地应用,但是该项技术领域仍然存在很多难题,如控制系统的优化设计以及材料转子轴系动力特性问题等。为了更有效地改进控制方法和策略,需要在深人研究控制系统的同时,着重研究转子系统的动力学特性,从而达到对复杂转子的理想控制。

目前空调风机多采用机械轴承,风机主轴与轴承之间会产生机械摩擦,而电机必需克服这部分摩擦才能驱动风叶旋转,同时造成电机发热,产生较大幅度的振动,使得风机寿命降低。要想实现风机长时间的运行,还需轴承润滑系统和冷却系统的改进。如果采用磁浮轴承,定、转子之间没有机械摩擦,磁浮轴承运转阻力为零,不会发热,从而省去了冷却系统和润滑系统,减少了体积重量,提高了可靠性和寿命,悬浮运转大大减少了机械噪声同时也大大减少了机械振动,振动幅度远远小于普通风机,提高了整个空调的稳定性。


从目前国内的磁浮轴承技术水平来看,虽然已经具备了应用在常温设备上的条件,但是仍然存在两方面的间题:一方面由于较难实现磁悬轴承转子的高精度控制,因而造成系统可靠性差以及故障率高;另一方面,欠缺标准化的产品工艺。


经济性分析



上述磁浮轴承的各种优点的实现是建立在一套复杂的电子控制系统上。因为构成系统重要组成部分的传感器费用比较高,再加上控制系统的设计费用,整体成本是普通机械轴承的数十倍以上,所以这在很大程度上限制了它在工业上的应用和推广。

从长远看,传统风机和泵类设备能耗高,其在整个能耗中占很大比重,长时间的工作运行,电力成本昂贵,尤其是中后期的维护和损耗特别明显,导致整个系统的能耗以及开支增加。采用磁浮轴承还可以节省一些装置的配置费用,如:润滑系统、齿轮传动装置、冷却系统等。如果折算成磁浮轴承的费用,数目相当可观。

(来源:轴承百科、泵友圈、KEBA



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