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　　国内对磁浮轴承的研究始于 20 世纪 70 年代， 清华大学工程物理系研究了磁 悬浮高频电主轴，转子质量 2.21 ，最高转速 52530r/min。西安交通大学研究 了磁浮高频电主轴，转子质量 0.85 ，转速 80000r/min。并研究了飞轮用磁浮 轴承和涡轮膨胀机用磁浮轴承。 上海大学研究了小型磁悬浮制氧透平膨胀机，空 气流量1503 /ℎ，转子质量1.16，最高转速 92000r/min。 以自主开发等方式在磁浮轴承方面做过研究工作的单位还有哈尔滨工业大 学、 浙江大学、 国防科技大学、 天津大学、 南京航空航天大学、 西安理工大学等。 由于种种原因， 目前我国的磁浮轴承仍处于实验室研究阶段，而且在轴承刚度和 承载能力方面距离大规模应用还有一定差距，在工业应用方面基本上是空白，有 关磁浮轴承设计方面的技术指标和标准还没有制定。 为了使得这一科学技术为生 产建设服务，必须将磁浮轴承这项高新技术迅速转化为生产力。

　　磁浮轴承技术是国际上 60 年代中期开始研究的一项新的支承技术。它是利 用电磁力使转轴稳定悬浮起来的一种新型轴承， 是集转子动力学、 机械学、 力学、 控制工程、 电磁学、 电子学和计算机科学于一体的最具代表性的机电一体化产品。 它具有无接触、无摩擦磨损、转速高、无需润滑和寿命长等优点，是一般轴承所 无法比拟的。 由于其独特的性能而受到国内外专家学者和诸多企业界人士的关注。 人类对磁浮轴承研究的成功，标志着对传统支承技术的革命。 磁浮轴承目前在国外已经开始进入工业应用阶段。在国内，有关研究在不断 升温后离工业应用仍有较大的差距。从应用角度看，在大功率电机、高速旋转和 相关高精度的应用场合磁浮轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究的主流。

　　由于磁浮轴承具备许多突出优点，受到了学术界、工业界的普遍关注。目前 在涡轮机械行业获得了较为广泛的应用，在机械加工行业也有部分应用。磁浮轴 承的发展主要集中在以下几个方面: (1)超导磁浮轴承：随着近年来高温超导材料和抗磁材料的突破性进展，超 导磁浮轴承引起了科研人员的关注。中科院电工所对此进行了研究，并研制成功 高温超导、永磁体和电磁铁混和悬浮轴承系统，转速达 9600r/min。 (2)高温磁浮轴承：研究能在 550—600℃温度下工作的轴承。以航空发动机 为应用对象，解决材料、工艺、可靠性、高温传感器等问题。 (3)无轴承(Bearingless)电机：由于磁浮轴承结构和交流电机定子结构的相 似性， 在电机定子中附加磁浮轴承线圈来实现对转子的悬浮。无轴承电机将电动

　　4、磁浮轴承的发展趋势·····················································3 ···················································· 5、系统组成及原理 · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · 5 · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · 6、电机系统设计···························································7 ·························································· 7、控制方式·······························································4 ······························································ 8、磁悬浮轴承的应用······················································11 ····················································· 9、仍需解决的问题 · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · 13 · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · 10、参考文献· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · 16 · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · ·

　　经过 30 多年的发展，磁浮轴承在国外的应用场合进一步扩大。国外不仅将 磁浮轴承应用于航天部门、 核工业部门，而且已迅速应用到军事部门和基础工业 部门的数百种不同的旋转或往复运动机械上，如卫星惯性飞轮、能量储存飞轮、 姿态控制飞轮、 火箭引擎透平泵、 高速磨床、 高速铣床、 高速车床、 高速电动机、 离心机、透平压缩机和真空泵等。所达到的技术指标范围为： 转速 直径 单个轴承承载力 0~8 × 105 / 14~600 (0.3~5) × 104 温度 刚度 −253~450℃ 105 ~108 /

　　一个刚性转子在空间上为 6 自由度系统，包括直角坐标系中沿 3 个坐标轴方 向的平移自由度， 以及绕 3 个坐标轴的旋转自由度。 一个刚性磁浮转子除了绕转 轴旋转的 1 个自由度由电机控制外， 其余 1 个轴向自由度、 两个径向自由度以及 两个旋转自由度，都必须由磁浮轴承系统来控制其稳定性。 按照磁力的提供方式，磁浮轴承可分为三大类: (l)主动磁浮轴承 (Active Magnetic Bearing，简称 AMB)，轴承磁场是可控 的， 通过传感器检测转轴的位置，由控制系统对电磁铁电流进行主动控制来实现 转轴的稳定悬浮。 (2)被动磁浮轴承 (Passive Magnetic Bearing，简称 PMB)，轴承部分自由度 由超导磁体或永磁体来实现被动悬浮支承。 (3)混合磁浮轴承(Hybrid Magnetic Bearing，简称 HMB)，轴承的机械结构 中既包含了可控的电磁铁， 又包含了提供偏置磁场的超导磁体或永磁体。与主动 磁浮轴承相比， 被动磁浮轴承具有系统设计简单，并在无控制环节的情况下即可 稳定，但是它不能产生阻尼。因此，系统的稳定域是很小的，外界干扰的小变化 也可能会使它趋于不稳定，本论文主要讨论电磁吸力型主动控制磁浮轴承。

　　1、引言 · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · ·1 · · · · · · · · · · · · · · · ··· · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · 2、磁浮轴承概述···························································1 ···························································

　　自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的。然而，真正意义上的磁悬浮研究是从 本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究开始的。 1937 年，德国工程师 Kemper 申请了第一个磁悬浮技术专利，他认为要使铁 磁体实现稳定的磁悬浮， 必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即 采用可控电磁铁才能实现， 这一思想成为这之后开展磁悬浮列车和磁浮轴承研究 的主导思想。 同一时期，美国 Virginia 大学的 Beams 和 Holmes 也对磁悬浮理论进行了研 究， 他们采用电磁悬浮技术悬浮小球，并通过钢球高速旋转时能承受的离心力来 测定试验材料的强度， 这可能是世界上最早采用磁悬浮技术支承旋转体的应用实 例。 磁浮轴承作为一种新的支承形式，其优良的性能和广阔的应用前景引起了众 多学者和工程技术人员的浓厚兴趣。随着现代控制理论和电子技术的跃发展，本 世纪 60 年代中期对磁浮技术的研究跃上了一个新台阶。英国、日本、德国都相 继开展了对磁浮列车的研究。 磁浮轴承的研究是磁悬浮技术发展并向应用方向转 化的一个重要实例。 据有关资料记载，1969 年，法国军部科研实验室(LRB)开始对磁浮轴承的研 究；1972 年，将第一个磁浮轴承用于卫星导向轮的支撑上，从而揭开了磁浮轴 承发展的序幕。此后，磁浮轴承很快被应用到国防、航天等各个领域。美国在 1983 年 11 月搭载子航天飞机上的欧洲空间试验仓里采用了磁浮轴承线 年法国 SEP 公司和瑞典 Sgy 公司联合成立了 S2M 公司， 专门开发工业应用 的磁浮轴承。 1983 年 S2M 公司在第五届欧洲机床展览会上展示了磁浮轴承电主 轴部件。1984 年，S2M 公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本磁浮轴承 公司，在日本主产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等，同年日本东洋公司也推 出了高速磁浮轴承铣削头，并将磁浮轴承列为 80 年代新的加工技术之一。磁浮 轴承的发展与研究越来越受到国内外工程界和学术界的广泛关注。从 1988 年至 今相继召开了多届国际磁浮轴承会议，从已发表的文献资料可以看出，其研究内 容涉及到电磁学、电子学、控制理论、机械学、转子动力学、材料学和计算机科 学等学科。目前较为活跃并处于领先地位的主要有瑞士联邦工学院(ETH)、美国 Maryland 大学和 Virginia 大学、 日本东京大学和英国的 Sussex 大学等研究机构， 以及法国 SZM、瑞士 IBAG、英国 Glacier、美国 Avcon、MTI、SatCon 等生产厂 家。