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电磁悬浮轴承的发展及在鼓风机上的应用前景

王 飏 王 军 /沈阳鼓风机(集团)有限公司 王 瓯/清华同方股份有限公司    
  

摘要: 阐述了电磁轴承的基本原理及该种轴承的发展,对国内国外电磁轴承的技术研究和应用水平做了详细的比较,调研了电磁轴承在鼓风机上的应用情况,尤其结合企业的实际情况,得出电磁悬浮轴承完全具备应用在鼓风机、压缩机上的结论。

关键词: 电磁悬浮轴承;透平式鼓风机;应用

中图分类号: TH133.3    文献标识码: B

文章编号: 1006 - 8155 ( 2008 ) 02-0070-04

Development of Magnetic Fl oating Bearing and Its Application Prospect for Blowers

Abstract: The paper specifies the basic principle of magnetic bearing and its developing prospect. The technology research and application between domestic and overseas magnetic bearings are compared in detail. The research on the application of magnetic bearing on blowers is carried out combining with the actual condition of enterprises. Then the conclusion that magnetic fl oating bearing can totally apply on blowers and compressors is summarized.

Key words: magnetic fl oating bearing; turbine blower; application


0  引言

  电磁悬浮轴承是利用磁力实现无接触的新型轴承,具有无接触、不需要润滑和密封、振动小、使用寿命长、维护费用低等一系列优点,属于高技术领域。磁浮轴承的研制不仅可以填补国内空白,而且可以带动机电行业的很多相关企业进行产品结构调整,形成新的经济增长点。此外,电磁悬浮轴承的研制具有重要的国防应用价值,可为我国研制以磁轴承支承的新一代航空发动机储备先进的科学技术。

  电磁悬浮轴承是典型的机械电子学产品, 机械电子学是融机械工程、电气工程、计算机科学于一体的跨学科工程领域。

1  电磁悬浮轴承产生的背景

 

  电磁悬浮轴承技术的发展是由于现代工业对新一代支承技术的需求推动的。随着现代工业的发展,对旋转机械提出了各种越来越苛刻的性能要求。在能源化工机械中,要求转子的旋转速度和精度越来越高、转子和定子之间的间隙越小越好以追求更高的效率。而对另一些工作在极端高温或低温环境下的军工、航空航天领域的旋转机械来说,除了要求能够承受严酷的环境考验之外,对于支承的可控性、安全及可靠性的考虑往往是第一位的。

  与其他机械相比,旋转机械的最大特点在于:转子运动始终被约束在间隙比较小的空间内。这种间隙比,对于传统的油润滑轴承来说,大致在 1/1000 ~ 5/1000 范围内。由于转子在运行中所受到的各种激励作用,这种小间隙约束是很容易遭到破坏的,这也是支承之所以成为制约高性能旋转机械进一步发展的关键技术的原因 [1]

  对于新一代支承技术性能指标的要求为( 1 )高转速:从每分钟数十转到数十万转;( 2 )高精度:要求支承具有良好的动态性能。例如:转子的动态振幅要求控制在一定的范围内;( 3 )可控性;( 4 )对于各种严酷环境的适应性;( 5 )可靠性。

  迄今为止,能够同时满足上述要求,可投入实际工程应用的支承技术当首推主动控制的电磁轴承。

2  电磁悬浮轴承的基本原理

2.1 基本原理

 

  磁浮轴承从原理上可分为两种,一种是主动磁浮轴承( active magnetic bearing ),简称 AMB ;另一种是被动磁浮轴承( passive magnetic bearing ),简称 PMB 。由于前者具有较好的性能,它在工业上得到了越来越广泛的应用。

  磁浮轴承系统主要由被悬浮物体、传感器、控制器和执行器四大部分组成 , 见图 1 。其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。图 1 是一个简单的磁浮轴承系统,电磁铁绕组上的电流为 I ,它对被悬浮物体产生的吸力和被悬浮物体本身的重力( mg )相平衡,被悬浮物体处于悬浮的平衡位置,这个位置也称为参考位置。假设在参考位置上,被悬浮物体受到一个向下的扰动,它就会偏离其参考位置向下运动,此时传感器检测出被悬浮物体偏离其参考位置的位移,控制器将这一位移信号变换成控制信号,功率放大器使流过电磁绕组上的电流变大,因此,电磁铁的吸力也变大,从而驱动被悬浮物体返回到原来的平衡位置。如果被悬浮物体受到一个向上的扰动并向上运动,此时控制器和功率放大器使流过电磁铁绕组上的电流变小,因此,电磁铁的吸力也变小,被悬浮物体也能返回到原来的平衡位置 [2]


  

 

  悬浮系统的刚度、阻尼以及稳定性由控制规律决定。刚度和阻尼可在物理极限范围内广泛地变动,亦可根据技术要求进行调节,甚至可以在运行过程中加以改变。

2.2  电磁悬浮轴承的优点

  电磁悬浮轴承拥有许多传统轴承所不具备的优点。

  (1) 可以达到较高的转速:理论上讲,电磁悬浮轴承支承的转子最高转速只受到转子材料的限制。通常,在相同的轴颈直径下,电磁悬浮轴承所达到的转速比滚动轴承大约高5倍,比流体动压滑动轴承大约高2.5倍。

  (2) 摩擦功耗较小:曾对一台压缩机采用不同支承时的功耗做过比较,在10000r/min时,其功耗大约只有流体动压滑动轴承的10% ~ 20%。

  (3) 寿命长、可靠性高:由于电磁悬浮轴承依靠磁场力悬浮转子,因此在相对运动表面之间不接触,没有磨损和接触疲劳所带来的寿命问题。电子元器件的可靠性大大高于机械零部件,所以电磁悬浮轴承的寿命和可靠性均高于传统轴承。

  (4) 无需润滑 : 电磁悬浮轴承不存在润滑剂对环境所造成的污染问题,省去了润滑油的存储、过滤、加温、冷却及循环等成套设备。因此从整体上讲,电磁悬浮轴承在价格和空间上完全可以和常规轴承技术相竞争。

  (5) 适应性好:对极端高温、极端低温运行环境都具有很好的适应性。

  (6) 可控性 : 电磁悬浮轴承的静态及动态性能都是在线可控的。

  (7) 可测试、可诊断、可在线工况监测: 事实上,电磁轴承悬浮本身就是集工况监测、故障诊断和在线调节于一体的。

2.3  电磁悬浮轴承的断电保护

  在电磁悬浮轴承中,保护轴承占有十分重要的地位。保护轴承亦称为应急轴承。在系统发生故障时,对转子的应急保护主要由保护轴承来提供。在电磁悬浮轴承突然断电后,高速旋转的转子迅即进入自由落体状态,继而与保护轴承内壁发生冲击、碰撞和摩擦。在转子着陆过程中,转子动能逐渐转化为摩擦热,如果这些热量不能顺利地发散,将导致转子的热变形和电磁悬浮轴承损坏,因此对保护轴承以及转子在着陆过程中的冲击动力学研究同样十分必要。

3  电磁悬浮轴承的国内外现状

3.1 国外现状

  西方国家已有十几家电磁悬浮轴承的新公司诞生,几十家已有的公司在生产与电磁悬浮轴承有关的产品,并且有公司开始将产品向中国市场推进,在磁轴承技术领域,国外的领先公司主要有 S2M 公司和瑞士的 Mecos 公司。

  S2M 公司认为电磁悬浮轴承在压缩机上应用的方向越来越明确,在压缩机领域内电驱动装置的重要性日益增强,用 于天 然气处理的各个阶段的透平机均可使用电磁悬浮轴承。在天然气领域可以应用电磁悬浮轴承的透平机械包括:用 于天 然气处理的透平膨胀机;用 于天 然气输送的压缩机;用 于天 然气储存的压缩机;用于发电的透平机;用于乙烯生产的膨胀透平机等 。

  有理由相信,未来磁浮轴承在数量上和型号上的应用将不断增长,因为机械运转的速度、负荷、温度、无油的实现,电磁悬浮轴承是最好的解决之道。 S2M 公司已经在 250 多台大型透平机械上安装了电磁悬浮轴承。

  Mecos 公司是世界数字控制主动磁轴承的一流供应商,具有 17 年的磁轴承设计历史。其产品主要包括:透平鼓风机,透平增压泵、透平发电机、透平分子泵上的主动磁浮轴承。具体的技术指标如下:

  透平鼓风机类的CO2空气循环鼓风机,转速 54000/ 66000 ( r/min ),电机功率:10kW ,转子质量 3.6kg ,轴承直径 48mm 。

  透平增压泵,转速 24000r/min ,电机功率 800W 。

  透平发电机,转速 32000 r/min ,发电机功率 450kW ,转子质量 110kg ,轴承直径 110mm 。

  透平分子泵,转速 24000 ~ 50000r/min ,转子功率达到 1400 k W 。
当前,国际上对电磁悬浮轴承的研究工作也非常活跃。 1988 年召开了第一届国际磁悬浮轴承会议,此后每两年召开一次。 1991 年,美国航空航天管理局还召开了第一次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。现在美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力,推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。

3.2 电磁悬浮轴承国内研究现状

 

  国内对电磁悬浮轴承的研究工作起步较晚,刚刚走出实验室阶段,落后国外约 20 年。 我国有关磁悬浮轴承研究的进展较缓慢。不过,由于电磁悬浮轴承在一些特殊场合具有突出的优势,相关研究一直在清华大学,西安交通大学,南京航空航天大学,上海大学等高校开展,也取得了许多研究成果,但主要在理论方面进行分析和研究,工业应用目前还几乎没有。
南京航空航天大学是目前国内电磁悬浮轴承研究领域中较活跃的单位之一,是目前国内电磁悬浮领域中研究成果较多的高校, 南航研究磁浮轴承的方向主要集中在高温磁轴承上。 从事过航空发动机、钻床电主轴和无轴承电机、医药工业中的高速离心机(非全悬浮)的研究。

  清华大学是我国最早从事磁轴承研究的单位之一。 主要从事工业应用型电磁轴承的研究。 该校的磁浮轴承已基本脱离了实验室阶段,在 10MW 高温气冷堆氦气透平发电项目中应用了自行研制的磁轴承。该透平压缩机的工作转速为 15000r/min , 功率为 2500kW 。

  西安交通大学轴承研究所从 1985 年开始从事磁悬浮技术的研究,主要进行工业应用型磁力轴承的研究。西安交通大学的科研人员 认为,在电磁悬浮轴承的技术上没有实质性的困难。国内已有 10 年的理论准备和积累,掌握电磁悬浮轴承的许多关键技术, 这些技术中有许多是在国际上首次提出的,并在国际上被其他单位引用。

4  电磁悬浮轴承的技术性和经济性分析

4.1 技术性分析

  随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展,经过多年的研究工作,国内外对电磁悬浮轴承技术的研究都取得了很大的进展。但是不论是在理论还是在产品化的过程中,该项技术都存在很多的难题,磁悬浮轴承所需解决的难题则主要表现在控制系统和满足转子轴系动力特性上。在重视控制系统研究的同时,着重研究系统的转子动力学分析,从而更有效地改进控制方法和策略;采用具有强鲁棒性的滑模控制、模糊控制和神经网络控制等,实现对复杂转子动力学特性的控制 [3-4] 。
磁浮轴承技术国内总体水平达到了工程应用的水平,产品应用电磁悬浮轴承后都要进行结构改造。 从目前的技术水平看,国内的电磁悬浮轴承技术应用在常温的设备上应该已经具备了条件。


4.2 经济性分析

 

  目前在工业上得到广泛应用的基本上都是传统的电磁悬浮轴承 ( 需要位置传感器的磁悬浮轴承 ) ,这种轴承需要 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,使电磁悬浮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,传感器不能装在电磁悬浮轴承的中间,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,从而导致电磁悬浮轴承的售价很高,大大限制了它在工业上的推广应用。 如何降低磁悬浮轴承的价格,一直是国际上的热点研究课题。

  电磁悬浮轴承的高价格主要体现在控制系统上,控制系统中的主要部件控制器包括以下三大块:一是传感器;二是控制系统的设计费用;三是功率放大器。

  采用电磁悬浮轴承可以节省一些装置:如齿轮传动装置、油站供油系统,这些系统的价格如果折算成电磁悬浮轴承的费用,应该还是可以节约费用的。

  对于风机上采用电磁悬浮轴承,国外已经开始应用,因此利润空间很大,其性能明显提高,寿命长,维护费用低。因此电磁悬浮轴承的经济效益和前景很好。

5  结论

  电磁悬浮轴承完全可以应用在各种鼓风机和压缩机上。电磁悬浮轴承目前的状态正如 70 年代的计算机所处的位置,国内专家普遍认为,电磁悬浮轴承 5 年之内将大举进军中国市场,由于国外对国内的技术封锁,采用电磁悬浮轴承的压缩机必然会对传统的油润滑轴承压缩机产生巨大的冲击,因此,国内研制电磁悬浮轴承压缩机时间比较紧迫。

参 考 文 献

[1] 虞烈 . 可控磁悬浮转子系统 [M]. 科学出版社, 2003 .

[2] 施韦策 , 等 . 主动磁轴承基础性能及应用 [M]. 新时代出版社, 1997.

[3] 张士勇 . 磁悬浮技术的应用现状与展望 [J]. 工业仪表与自动化装置, 2006 (3):63-65.

[4] 陈立志 . 磁悬浮轴承在高速旋转机械上的应用及一种混合径向磁悬浮轴承的设计 [J]. 光学精密工程, 1994(4):101-108.

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  评论人:Jamey   打分:85 分  发表时间:2015-9-25 11:57:39
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