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磁悬浮轴承资讯

磁悬浮原理:磁悬浮电机轴承到底是什么鬼?

 

发布时间:2018-12-21 22:19:00 点击:     


磁悬浮轴承_磁悬浮轴承厂家2018年12月21日讯  提起直线电机您可能不熟悉,但提起磁悬浮列车那您一定听说过。磁悬浮列车上用的就是直线电机。直线电机在现在的生活中用处越来越广。

1.在工业中。直线电机在直线传动和物料输送等方面具有独特的优势,如分拣输送线、升降机等。

2.在民用方面。一些生活用品(如家电空调、冰箱等)、驱动门、办公设备等都可用上直线电机。

3.在军事方面。由于直线电机的速度极高,利用这点可将其应用于导弹、火箭和大炮潜艇中。电磁炮就是利用电磁场加速度加速弹丸的原理、实现军事用途的动能武器系统。

4.直线电机还可用于天文观测系统中驱动摆镜和反观镜;直线电机驱动人工心脏;直线电机驱动的盲人触觉模拟器;直线电机在医院设备、电动工具、玩具以及建筑用打桩机等方面也得到了应用。

直线电机经常简单描述为旋转电机被展平,而工作原理相同。动子是用环氧材料把线圈压缩在一起制成的;磁轨是把磁铁(通常是高能量的稀土磁铁)固定在钢上。电机的动子包括线圈绕组,霍尔元件电路板,电热调节器(温度传感器监控温度)和电子接口。在旋转电机中,动子和定子需要旋转轴承支撑动子以保证相对运动部分的气隙(air gap)。同样的,直线电机需要直线导轨来保持动子在磁轨产生的磁场中的位置。和旋转伺服电机的编码器安装在轴上反馈位置一样,直线电机需要反馈直线位置的反馈装置--直线编码器,它可以直接测量负载的位置从而提高负载的位置精度。


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直线电机的控制和旋转电机一样。和无刷旋转电机类似,动子和定子无机械连接(无刷),区别于旋转电机的方面,动子旋转和定子位置保持固定,直线电机系统可以是磁轨动或推力线圈动(大部分定位系统应用是磁轨固定,推力线圈动)。用推力线圈运动的电机,推力线圈的重量和负载比很小。然而,需要高柔性线缆及其管理系统。用磁轨运动的电机,不仅要承受负载,还要承受磁轨质量,但无需线缆管理系统。

相似的机电原理用在直线和旋转电机上。相同的电磁力在旋转电机上产生力矩在直线电机产生直线推力作用。因此,直线电机使用和旋转电机相同的控制和可编程配置。直线电机的形状可以是平板式和U 型槽式,和管式.哪种构造最适合要看实际应用的规格要求和工作环境。

2 原理

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能,而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开,并展成平面而成。

由定子演变而来的一侧称为初级,由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时,将初级和次级制造成不同的长度,以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级,也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用,以直线感应电动机为例:当初级绕组通入交流电源时,便在气隙中产生行波磁场,次级在行波磁场切割下,将感应出电动势并产生电流,该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定,则次级在推力作用下做直线运动;反之,则初级做直线运动。直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机,还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展,直线电机的控制方法越来越多。

对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面:一是传统控制技术,二是现代控制技术,三是智能控制技术。传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的信息,具有较强的鲁棒性,是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式。为了提高控制效果,往往采用解耦控制和矢量控制技术。在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下,采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合,就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的影响,运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数,才能得到满意的控制效果。因此,现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有:自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合,取长补短,以获得更好的控制性能。

3 应用

直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形,它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开,然后拉平演变而成。随着自动控制技术和微型计算机的高速发展,对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求,在这种情况下,传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置,已经远不能满足现代控制系统的要求,为此,世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机,使得直线电机的应用领域越来越广。

直线电机与旋转电机相比,主要有如下几个特点:一是结构简单,由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置,因而使得系统本身的结构大为简化,重量和体积大大地下降;二是定位精度高,在需要直线运动的地方,直线电机可以实现直接传动,因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差,故定位精度高,如采用微机控制,则还可以大大地提高整个系统的定位精度;三是反应速度快、灵敏度高,随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑,因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触,这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力,因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性;四是工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力,机械摩擦损耗几乎为零,所以故障少,免维修,因而工作安全可靠、寿命长。

直线电机主要应用于三个方面:一是应用于自动控制系统,这类应用场合比较多;其次是作为长期连续运行的驱动电机;三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。

高速磁悬浮列车 磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子,美、英、日、法、德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车,其中日本进展最快。

直线电机驱动的电梯 世界上第一台使用直线电机驱动的电梯是1990年4月安装于日本东京都丰岛区万世大楼,该电梯载重600kg,速度为105m/min,提升高度为22.9m。由于直线电机驱动的电梯没有曳引机组,因而建筑物顶的机房可省略。如果建筑物的高度增至1000米左右,就必须使用无钢丝绳电梯,这种电梯采用高温超导技术的直线电机驱动,线圈装在井道中,轿厢外装有高性能永磁材料,就如磁悬浮列车一样,采用无线电波或光控技术控制。

超高速电动机 在旋转超过某一极限时,采用滚动轴承的电动机就会产生烧结、损坏现象,国外研制了一种直线悬浮电动机(电磁轴承),采用悬浮技术使电机的动子悬浮在空中,消除了动子和定子之间的机械接触和摩擦阻力,其转速可达25000~100000r/min以上,因而在高速电动机和高速主轴部件上得到广泛的应用。如日本安川公司新近研制的多工序自动数控车床用5轴可控式电磁高速主轴采用两个径向电磁轴承和一个轴向推力电磁轴承,可在任意方向上承受机床的负载。在轴的中间,除配有高速电动机以外,还配有与多工序自动数控车床相适应的工具自动交换机构。

磁悬浮轴承

磁悬浮轴承是靠磁场力支承载荷或悬浮转子的一种支承形式。近年来,这种轴承发展很快,特别在高速、低摩阻、高(低)温及真空环境下的应用。磁悬浮轴承与其他支承形式相比有其独特的优越性,非常有发展前景。

磁悬浮轴承的类型
磁悬浮轴承根据其控制方式、磁能来源、结构形式等分类。此外,还可以按磁场类型划分为永久磁铁型、电磁铁型和永久磁铁—电磁铁混合型。也可按轴承悬浮力类型划分为吸力型和斥力型。超导磁力轴承还分为低温超导和高温超导两种。

以上各种分类中不同类型之间还存在一些特殊限制,应特别注意:
①永磁型轴承只能是无源型(被动型),而无源型轴承不可能在3个方向上都稳定,至少有1个方向应采用有源型。
②直流激励型轴承只能是有源型(主动型)。
③纯电磁铁型轴承只能是5自由度控制型轴承,其体积、质量和功耗都比较大。
④斥力型磁力轴承,由于磁力利用率低,结构较吸力型复杂,一般很少采用。

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磁悬浮轴承的特点
1.摩擦小,功耗低,可实现超高速运转。
2.支承精度高,工作稳定,可靠。
3.可在高温、深冷及真空环境下运转。
4.结构复杂,要求条件苛刻,对环境有磁干扰,但无其他污染。
5.完全消除磨损,理论寿命是无限的。
6.转速只受轴承材料限制。
7.精度高可达微米级。
8.功耗为普通轴承的10%。
9.阻尼、刚度可控,便于智能控制。
10.转子的运转特性可以监控和控制。
11.无润滑、密封装置,没有环境污染。
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磁悬浮轴承的应用实例
一.机床中的应用 
1.精密机床主轴
法国S2M公司制造了采用5自由度控制磁悬浮轴承支承的精密主轴,其径向轴承的dn值为4e6mm·r/min,轴颈线速度为200m/s,推力轴承的dn值为8e6mm·r/min,止推轴颈线速度为400m/s。
2.超精透镜车床
法国S2M公司由主动磁悬浮轴承支承的超精透镜车床主轴,转速2000r/min,功率1kW,加工精度0.05μm。

二.精密仪器中的应用
英国国家物理实验室研制了采用磁浮导轨的自动分辨测量仪,在1kHz的频带内,支承刚度为175N/gm,分辨率达0.1nm。

三.泵类中的应用
1.血液泵
日本东京大学与NTN公司合作研制的磁悬浮轴承血液泵。主轴由5自由度主动控制型磁悬浮轴承支承,进口径向轴承的承载能力为18N,出口轴承径向承载能力为22N,推力轴承的承载能力为9.2N。
2.循环泵 
法国SEP公司采用S2M公司的主动型磁悬浮轴承研制开发出火箭发动机用液氧、液氢循环泵。

四.空间技术中的应用
日本NAL&MELCO和NAL&TOSIBA公司用主动型磁悬浮轴承支承空间姿态控制惯量轮。

五.物理实验中的应用
1.高精密粒子束变换器 德国Uranit公司推出了三种用磁悬浮轴承支承转子的粒子束变换器。
2.中子选择器
德国KFA公司制造的中子选择器,采用单自由度被动型磁悬浮轴承支承转子,转速为36000r/min。
 

上一篇:磁悬浮轴承:关于轴承振动组别的选择




磁悬浮轴承应用场合

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储能飞轮 压缩机 电主轴
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