[科普中国]-磁性轴承

磁性轴承可应用于各种机器，例如泵、涡 轮机 、电动机和压缩机。 在诸多机器中，转轴的支承是靠机械方法，即通过球轴承、圆柱轴承、 不完全润滑轴承，或液体静压轴承来实现的。而用磁性轴承，旋转的轴 即悬浮在磁场中，因磁场的迅速变化足使转轴处于中心位置，甚至当动载作用时，其位置依然不变。

原理磁性轴承是一种利用磁铁相同两极相互排斥的原理而制造的非接触高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁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。

磁性轴承主要由机械部分和电气控制部分组成。机械部分由转子和带线圈的定子组成。定子所产生的电磁力使转子保持在一定的位置上定子和转子之间有间隙，转子处于悬浮状态。位移传感器监测转子的位置，一旦转子偏离所要求的位置，传感器就发出信号，伺服控制系统根据参考信号（转子要求的位置信号）与传感器信号之差值来调整定子线圈中的电流，使转子恢复到原来位置。为了减少转子形状误差对传感器信号的影响，且加快过渡响应时间，在实用磁性轴承中，一般采用差动联接。1

分类（1）无源（被动）磁性轴承

是利用位置变化来直接改变激磁电路本身的参数使其达到稳定悬浮的；这种轴承也主要指的是用永磁体来实现转子的悬浮的，它是靠产生的斥力（吸力无法实现稳定悬浮）来改变气隙大小，从而来改变其他一些磁路参数来改变磁力大小，实现转子“稳定”悬浮。

（2）有源（主动）磁性轴承

是指由位移传感器检测出转子偏离位置，伺服控制系统根据其位置信号来迅速改变磁场力，使物体始终保持在一定的位置范围内，以达到稳定的悬浮。很显然要实现精确的控制，传感器精度一定要高，并且整个控制系统作出的响应也要快，不然转子就要碰到定子了，重要一点是单靠检测位移或位移反馈来控制电磁力是不太准确的。因为我们转子必然存在圆度误差，还有定子的几何误差等等，有时检测出的位移偏差很可能是由于转子的圆度误差引起的，而不需要改变控制电流的大小；有时可能由于圆度误差补偿了转子的位移偏差，而需要对控制电流加以调整。

（3）复合磁性轴承（永磁体+电磁铁）

永磁体产生磁力来平衡转子重力，电磁铁产生的电磁力来平衡外载。2

特点（1）完全无磨损，且由于转子没有线圈，电气机械元件的寿命从理论上讲是无限的；

（2）由于转子和定子没有摩擦，转子速度仅受材料抗拉强度的限制，所以转子线速度比其它各种轴承都高。 最大线速度达 200m /s；

（3）不需要润滑和密封，结构紧凑；

（4）没有机械噪声；

（5）发热很小，功耗很低。与普通轴承相比，功耗降低到1/10~ 1/100；

（6）环境适应性强，能在真空和腐蚀介质中工作。而空气轴承却无法在真空中使用，液体轴承和滚动轴承在真空中会由于油分子的挥发而产生无法避免的污染；

（7）对环境温度不敏感，许用温度范围为零下二百五十摄氏度到四百五十摄氏度；

（8）对轴的加工精度要求低，制造成本低。

除了上述优点外，由于采用控制系统，不仅能够调节磁力的大小，而且还可以调节力的相位，因而使其具有：

（1） 自动平衡机能。 回转部件是绕其 自身的 惯性主轴回转，而不是绕几何中心回转，消除了 附加动压 力 , 因而消除了 由此产生的振动；

（2）可 以精确地控制转子的位置，使其回转精度提高到亚微米的数量级，且可实现转子径向、轴向超精加工的微进给，并可弥补刀具因磨 损而产生的误差；

（3）刚度 、阻尼均可调，从而使转子很容易通过临界转速，实现超高速运转；

（4）全部回转特性 (如速度 、载荷、轴线位置、失衡量 、千扰频率等) 都可以通过传感器和控制系统的信息获取，因而可对机器的运行状态实行诊断和监控，这对高性能机床的适应控制特别有利；

（5）可靠性高，一方面因无磨损，没有润滑和密封装置。机械结构得到简化，从而保证了高可靠性；另一方面，回转件无绕组，定子绕组则类似于电机定子绕组，控制装置由可更换的印刷电路板制成，其设计，制作采用富余度技术，可获得几乎无限的使用寿命，故可靠度极高。1

应用一、机床电主轴

电主轴分为车削电主轴、铣床电主轴和磨削电主轴，另外还有组合机床使用的多功能电主轴等多种类型。

众所周知，由于提高生产率和加工精度的市场需求，机床电主轴近年来向着高速、高精度方向迅速发展。实验说明，当切削速度超过一个临界值以后会出现切削力急速下降，散热也更好的状态。比如铣削铝镁合金，需要切削速度大于1000m /min，而且高速加工的工件不易发生力变形和热变形，精度容易得到保证，甚至可以加工高硬度的工件材料。传统的滚动轴承在高速旋转时，由于滚子的离心力和陀螺力急剧增大，造成发热严重和寿命缩短，而动静压轴承同样存在液体摩擦损失、发热和刚度问题。磁性轴承由于自身显著的特点，可以实现高刚度、高速、高精度。

二、超净、 高低温等特殊环境

由于磁性轴承无任何机械磨损，无润滑剂，因此没有相关的污染和使用限制，已经成功应用于食品、饮料生产领域；在医学上，成功应用于人工心脏或心室辅助器。将主动磁轴承系统代替传统的接触式滚动轴承和润滑系统， 用于航空发动机，可大大减少发动机的零件数，从而大大减轻系统的重量和简化结构，改善可靠性和维修性，免除普通发动机润滑油带来的着火危险；由于磁浮轴承能承受更高的温度 (550 ℃～ 600℃)，因此可设计得离燃烧室或涡轮更近，这样使发动机的结构更紧凑。由于磁浮轴承能在真空和超低温下工作，在航天和科学实验领域得到应用，如卫星姿态控制，基本粒子缓冲器等。

三、透平机械和离心机

透平机械和离心机是磁轴承的重要应用领域之一。优点是易于实现高速运行，能调整刚度和阻尼，实现对振动的控制，获得预定动态性能，由于没有润滑剂，因此也就不需要密封，可进一步简化结构。

四、电力工程

根据磁性轴承的原理，研制大功率的磁性轴承和飞轮储能系统以减少调峰时机组起停次数；进行以磁性轴承系统为基础的振动控制理论的研究，将其应用 于汽轮机转子的振动和故障分析中；通过调整磁性轴承的刚度来改变汽轮机转子结构设计的思想，从而改善转子运行的动态特性，避免共振，提高机组运行的可靠性等。3

前景磁性轴承以它特有的优点，被广泛地应用到各个领域，从航天、国防等高科技领域逐渐普及到一般的工业、民用设施。

随着高速、超高速技术的发展，电子控制技术水平的不断提高，机械加工技术的进步、环保意识的加强、磁悬浮技术知识的普及、磁力轴承价格的降低以及对轴承的要求不断提高，普通的接触轴承在某些场合由于不能满足实际需要而逐渐被磁性轴承取代。

在具体的应用场合，比如机床主轴、航空发动机、计算机硬盘、压缩机离心机，磁性轴承起着支撑的作用。在另一方面，由于磁性轴承具有刚度和阻尼可调的特性，它在转子振动的主动控制方面的应用，是当前和今后磁性轴承技术研究的一个热点，它的基本思想都是通过主动控制给系统引入附加的刚度及阻尼，以达到减少系统的不平衡响应，使系统稳定的目的。4

在工业上得到广泛应用的基本上都是传统的磁性轴承(需要位置传感器的磁性轴承)，这种轴性承需要5个或10个非接触式位置传感器来检测转子的位移。由于传感器的存在，使磁性轴承系统的轴向尺寸变大，系统的动态性能降低，而且成本高、可靠性低。由于结构的限制，传感器不能装在磁性轴承的中间，使系统的控制方程相互耦合，控制器设计更为复杂。此外，由于传感器的价格较高，导致磁轴承的售价很高，限制了它在工业上的推广应用。3

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所