1.课题的背景与意义

磁悬浮轴承简称磁轴承,是利用磁场力将转子无接触地悬浮于空间的一种新型高性能轴承。磁轴承通过受控磁场力使得转子和定子之间没有任何机械接触,集动力学、机械学、电磁学、电力电子技术、控制理论和数字控制器理论等技术于一体,是典型的高科技机电一体化产品。由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无润滑和无污染等优点，特别适合高速、真空、超洁净和核等特殊的应用场合^[1],从根本上改变了传统的支承型式,在能源、交通、航空航天、机械工业、机器人、生命科学等领域己经显出了极其重要的科研与应用价值,被喻为”世纪的支承”^[2]。在国际上被誉为”磁轴承之父”的瑞士技术科学院院士教授曾在第四届国际磁轴承技术会议上明确指出磁轴承技术的成功将导致支承技术的革命,磁悬浮技术将迅速地为越来越多的技术领域（特别是军工和空间技术）所接受与采用^[3]。磁轴承按其约束功能可分为轴向单自由度、径向两自由度^[4]和轴向-径向三自由度磁轴承。三自由度磁轴承集轴向、径向磁轴承于一体，简化了结构，缩小了体积。按悬浮力产生的原理，磁轴承又可分为主动式、被动式及混合式。混合式磁轴承是由永磁体提供静态偏置磁通而电磁铁只提供控制磁通，因而功放体积较小、结构紧凑、耗能小、气隙也能做得大些。按控制电流类型将磁轴承分为直流式、交流式与交直流^[5-6]。直流式磁轴承功率放大器价格高，体积大，一个径向磁轴承需要二路(双极性)功率放大电路；而交流式采用交流三相功率逆变器给控制线圈提供控制电流。为了使磁轴承系统减小尺寸、改善动态性能和降低成本,提出一种将轴向磁轴承和径向磁轴承的功能相结合的永磁偏置三自由度电磁轴承^[7]。随着磁轴承的不断发展，磁轴承不仅在航天工业和空间技术领域已得到了广泛的应用,而且对重工业和能源工业的大型设备的发展也有极大的好处。

2.课题的国内外研究现状的介绍以及应用

国外磁轴承发展现状：1842年,恩休提出了无源磁轴承^[8],证明了单靠永久磁铁是不能使一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由、稳定的悬浮状态。1937年,美国人研究了利用磁场力悬浮钢球并使之旋转以测定材料强度,至1946年,采用被动主动式混合磁轴承,支承了工作转速为16600r/min的离心机转子。S2M公司在对超高速超精密加工机床用的磁轴承主轴的研究和开发中，开发了世界上第一台高速机床用的磁悬浮主轴，并在1981年德国汉诺威召开的欧洲国际机床展览会上推出了B20/500磁浮电主轴系统,并在转速35000r/min下进行了钻、铣现场表演^[9-11]。

。在之后的不断发展和开发中，磁轴承在高速机床中得到了广泛的应用，最大转速已经可以达到45000r/min。20世纪后期,为了满足核能的开发和利用,需要用超高速离心分离方法生产浓缩铀,磁轴承能满足高速电机支撑要求,于是在欧洲开始了研究各种磁轴承计划计划用超高速离心分离的方法生产浓缩铀,只有磁悬浮轴承能满足这个要求。磁轴承技术即是利用磁场力将转子悬浮起来,实现了转动过程中转子和定子之间的无接触支承,从而消除了机械接触,从根本上改变了传统的支承形式。1985年，日本的T.Higuchi提出了具有磁轴承功能的步进电动机,具备转矩和径向悬浮力解祸控制环节^[12]。国际上对磁轴承的研究工作和学术交流气氛也非常活跃,1988年在瑞士苏黎士召开了第一届国际磁悬浮轴承会议，以后每两年召开一次,已总共召开了10届。美国航空航天管理局年召开第一次”磁悬浮技术在航天中的应用”的学术会议,从1991年起,美国每两年召开一次”国际磁悬浮技术会议”。从这儿年召开的国际磁轴承会议所展示的成果来看,国际磁轴承技术正在稳步地向前发展。控制理论的不断发展以及数字控制技术的引入,为有源磁轴承的控制系统开拓了新的研究领域,使得有源磁轴承在工程实际中的应用不断扩展。

国内磁轴承发展现状：我国对磁轴承的研究始于50年代末,后因各种原因进展不快,近二十年才引起各科研单位的足够重视。1986年,广州机床研究所与哈尔滨工业大学开始对”磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行了研究。清华大学工程物理系赵鸿宾教授自1988年就致力于磁轴承研究,1994年研制出的卧式五自由度磁轴承系统,转速高达每分钟53200r/min；1999年实现了转速近50000r/min的数控高速磁轴承,回转精度1μm。南京航空航天大学从1992年起,开展对主动磁轴承、永磁偏置混合磁轴承及无传感器磁轴承进行了机理研究与样机开发,研制了数控磁轴承工业样机,转速为60000r/min,转子径向振动幅值小于20μm,并且实现了单自由度永磁和励磁混合的磁轴承、三自由度永磁偏置轴向一径向磁轴承的稳定悬浮^[13-14]。以国际著名磁轴承专家G.Schweitzer教授与国内磁轴承和机电领域的知名专家组成的评审组一致认为,该设计方案和实验结果能够直接用于10兆瓦高温气冷堆的磁轴承设计,这将形成具有自主知识产权的高温气冷堆氦气透平直接循环发电动力转换系统和磁轴承集成的先进技术^[15-16]。

3.三自由度磁轴承结构参数的设计与优化课题应用前景

磁轴承由于其无需润滑、噪声污染小、使用寿命长、定位精度高等优点,在航天工业和空间技术领域已得到了广泛的应用,主要应用场合有空间制导和导航方面的惯性轮、航空航天器中的姿态控制用飞轮、低轨道地球卫星和航天器中的超真空泵、中子粉碎机、卫星惯性飞轮和能量储存飞轮、姿态控制飞轮、火箭引擎透平泵、制冷透平泵、环状悬浮定位系统以及反射镜的驱动机械装置等。磁轴承在机械加工领域主要应用于高速切削机床及精密、超精密机床主轴、大型透平机械装置、低速大型高回转精度机械装置等。磁轴对重工业、能源工业、空间技术、物理学研究、机器人、机械加工等也有广泛的应用前景。

参考文献

[1]. Schweitzer G, Bleuler H, Traxler A. Active magnetic bearings－basics, properties and application of active magnetic bearing. Switzerland: Hochschulverlag AG, 1994: 14~16.