未來黑科技，磁懸浮軸承你知道多少？

       磁懸浮軸承是靠磁場(chǎng)力支承載荷或懸浮轉(zhuǎn)子的一種支承形式。近年來，這種軸承發(fā)展很快，特別在高速、低摩阻、高（低）溫及真空環(huán)境下的應(yīng)用。磁懸浮軸承與其他支承形式相比有其獨(dú)特的優(yōu)越性，非常有發(fā)展前景。

磁懸浮軸承如何工作？

     電磁鐵布置成徑向軸承和軸向軸承的形式，并提供磁拉力以抬起旋轉(zhuǎn)機(jī)器的轉(zhuǎn)軸。電磁鐵中的電流由一個(gè)精確的數(shù)字式控制柜調(diào)節(jié)，提供磁力隨時(shí)應(yīng)對(duì)外部負(fù)載的變化以保持轉(zhuǎn)軸良好居中。這樣，轉(zhuǎn)軸被無接觸抬起，而且軸承的剛度和阻尼均可由一個(gè)數(shù)字式控制柜來調(diào)節(jié)。這些特點(diǎn)增強(qiáng)了高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的性能，使設(shè)備具有高可靠性、低能耗的顯著特點(diǎn)。

磁懸浮軸承的類型

     磁懸浮軸承根據(jù)其控制方式、磁能來源、結(jié)構(gòu)形式等分類。此外，還可以按磁場(chǎng)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(dǎo)磁力軸承還分為低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)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(yīng)特別注意：

①永磁型軸承只能是無源型(被動(dòng)型)，而無源型軸承不可能在3個(gè)方向上都穩(wěn)定，至少有1個(gè)方向應(yīng)采用有源型。

②直流激勵(lì)型軸承只能是有源型(主動(dòng)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(zhì)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(jié)構(gòu)較吸力型復(fù)雜，一般很少采用。

磁懸浮軸承的特點(diǎn)

(1)無接觸、無磨損、無潤(rùn)滑:磁懸浮軸承工作時(shí)，處于懸浮狀態(tài)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間無接觸，不產(chǎn)生機(jī)械摩擦和接觸疲勞，解決了機(jī)組部件損耗和更換問題。同時(shí)省掉了潤(rùn)滑系統(tǒng)等一系列裝置，即節(jié)省了空間又不存在前述裝置對(duì)環(huán)境的污染問題。

(2)低振動(dòng)、低噪聲、低功耗:磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子避免了傳統(tǒng)軸承在運(yùn)行時(shí)的接觸碰撞引起的大幅振動(dòng)以及高分貝噪聲，提高了穩(wěn)定性，降低了維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了其使用壽命，同時(shí)懸浮磁懸浮軸承的低功耗，僅是傳統(tǒng)機(jī)械軸承功耗的6%~25%。在轉(zhuǎn)速為10000r/min時(shí)，其功耗只有機(jī)械軸承的15%左右。

(3)高轉(zhuǎn)速、高精度、高可靠性:允許轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速主要受材料強(qiáng)度的限制，可以在超臨界，每分鐘數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)的工況下工作，而且轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)精度已經(jīng)達(dá)到微米級(jí)甚至更高，這是普通機(jī)械軸承遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的轉(zhuǎn)速和精度，而且電子元器件的可靠性在很大程度上高于傳統(tǒng)的機(jī)械零部件。

(4)可控性、可在線工況監(jiān)測(cè)、可測(cè)試診斷:我們可以對(duì)磁懸浮軸承的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行在線控制。事實(shí)上，其本身系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了集工況監(jiān)測(cè)、故障診斷和在線調(diào)節(jié)的一體化。

磁懸浮軸承在經(jīng)濟(jì)性分析

技術(shù)性分析

     隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，磁懸浮軸承性能在不斷地提升，同時(shí)受電子元件的集成化也促使其成本逐年降低。雖然國(guó)內(nèi)外經(jīng)過多年的探索，磁懸浮產(chǎn)品在不少領(lǐng)域成功地應(yīng)用，但是該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域仍然存在很多難題，如控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及材料轉(zhuǎn)子軸系動(dòng)力特性問題等。為了更有效地改進(jìn)控制方法和策略，需要在深人研究控制系統(tǒng)的同時(shí)，著重研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，從而達(dá)到對(duì)復(fù)雜轉(zhuǎn)子的理想控制。

     目前空調(diào)風(fēng)機(jī)多采用機(jī)械軸承，風(fēng)機(jī)主軸與軸承之間會(huì)產(chǎn)生機(jī)械摩擦，而電機(jī)必需克服這部分摩擦才能驅(qū)動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，同時(shí)造成電機(jī)發(fā)熱，產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)，使得風(fēng)機(jī)壽命降低。要想實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，還需軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)。如果采用磁懸浮軸承，定、轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械摩擦，磁懸浮軸承運(yùn)轉(zhuǎn)阻力為零，不會(huì)發(fā)熱，從而省去了冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)，減少了體積重量，提高了可靠性和壽命，懸浮運(yùn)轉(zhuǎn)大大減少了機(jī)械噪聲同時(shí)也大大減少了機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通風(fēng)機(jī)，提高了整個(gè)空調(diào)的穩(wěn)定性。

     從目前國(guó)內(nèi)的磁懸浮軸承技術(shù)水平來看，雖然已經(jīng)具備了應(yīng)用在常溫設(shè)備上的條件，但是仍然存在兩方面的間題:一方面由于較難實(shí)現(xiàn)磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子的高精度控制，因而造成系統(tǒng)可靠性差以及故障率高;另一方面，欠缺標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品工藝。

經(jīng)濟(jì)性分析

     上述磁懸浮軸承的各種優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是建立在一套復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)上。因?yàn)闃?gòu)成系統(tǒng)重要組成部分的傳感器費(fèi)用比較高，再加上控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用，整體成本是普通機(jī)械軸承的數(shù)十倍以上，所以這在很大程度上限制了它在工業(yè)上的應(yīng)用和推廣。  

     從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備能耗高，其在整個(gè)能耗中占很大比重，長(zhǎng)時(shí)間的工作運(yùn)行，電力成本昂貴，尤其是中后期的維護(hù)和損耗特別明顯，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的能耗以及開支增加。采用磁懸浮軸承還可以節(jié)省一些裝置的配置費(fèi)用，如:潤(rùn)滑系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)裝置、冷卻系統(tǒng)等。如果折算成磁懸浮軸承的費(fèi)用，數(shù)目相當(dāng)可觀。

     近年來，綠色節(jié)能是低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律，也是全球機(jī)電行業(yè)未來發(fā)展的方向。中國(guó)政府確定了建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的奮斗目標(biāo)，全面推進(jìn)綠色低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。從2012年起，財(cái)政部、發(fā)改委、工信部決定將消費(fèi)品領(lǐng)域的高效節(jié)能臺(tái)式計(jì)算機(jī)和高效節(jié)能單元式空調(diào)以及工業(yè)品領(lǐng)域的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、變壓器燈6大類產(chǎn)品列人新一輪節(jié)能補(bǔ)貼覆蓋范圍內(nèi)，納人國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼范圍。這將會(huì)率先拉開對(duì)節(jié)能空調(diào)的推廣普及的大幕。

     國(guó)外已經(jīng)開始將磁懸浮軸承技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)，如在美國(guó)磁懸浮中央空調(diào)的市場(chǎng)份額已經(jīng)達(dá)到10%，然而在中國(guó)，同類產(chǎn)品的市場(chǎng)份額卻尚不足1%，因此具有很大的利潤(rùn)空間。如前所述，雖然磁懸浮軸承的經(jīng)濟(jì)效益和前景很好，但是由于其控制系統(tǒng)的價(jià)格偏高，因此如何降低其成本就成為了當(dāng)前技術(shù)領(lǐng)域所研究的熱點(diǎn)之一。