磁浮旋轴 科技研究 -选-

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1/4/2006

磁浮旋轴


放大http://www.geocities.com/yyyeeyu/tec01.jpg
传统轴承和磁浮旋轴的结构图

磁浮旋轴的优点：
1.全无／极微量　摩擦问题
2.超高速旋转　可以比传统轴承速度增强200倍至更高
3.不需润滑油，特殊环境使用方便
4.噪音极少，震动也极少。


这个概念来自磁浮列车。
原先一般用作机床。
现在用以提升电脑硬盘的旋转操作。





隨著工業技術的進步，對於定位控制的精密度要求也愈來愈高，系統受到摩擦力的影響相對提高，於是，克服摩擦力就成為高精密度定位控制的重要課題。傳統接觸性的軸承裝置，不論如何加以改善，仍無法完全消除摩擦與背隙等現象；此外，因為軸承磨損的緣故，機構零件也會產生微粒漂浮於空中。

        為了解決上述因系統摩擦力而產生的問題，使用非接觸性的軸承必然成為未來的趨勢。 尤其在IC製造過程中，對空氣品質的要求非常嚴格，如果空氣中含有雜質，製成元件的品質即可能受到影響。因此，製造IC的儀器若能使用非接觸性軸承機構，必能減少摩擦力而產生的各種影響，增加定位的精密度。  

        非接觸性軸承大概可分為三類，氣墊軸承(Air bearing）、電浮軸承（Electrostatic bearing）以及磁浮軸承（Magnetic bearing）。但只有磁浮軸承具有無靜電、沒有磨損、不會製造顆粒、亦不需要潤滑的特性，使得IC製造場所能保持乾淨、無干擾的狀態；更因為磁浮軸承能達成無摩擦、無背隙的操作動作，所以，磁浮系統必定是新一代半導體製造機台的最佳選擇。

        磁浮系統大致可分為兩種：一種是吸力型的磁浮系統，另一種是斥力型的磁浮系統。斥力型磁浮系統是由固定導軌用相斥力將承載平台支撐起來，平台在導軌的上方，導軌上的永久磁鐵利用磁鐵斥力使平台浮起來。不過在磁浮系統中，任一個鋼體在靜態磁場中都無法得到一個穩定的狀態，除非是加上另一個導磁性或是超導性物體，並加上適當的控制才能達到所要求的成果。 因此磁浮平台系統必須根據回授控制原理，用電流產生磁場來控制其不穩定的天性。然而，不管是吸力型的磁浮系統或是斥力型的磁浮系統，在平台的移動上依舊需要導軌的存在。雖然導軌有助於平台運動控制的規律化與簡單化，但從另一個角度來看，導軌也限制了平台運動的平滑性與多變性。因此，假若將導軌拿掉，再以多個電磁鐵驅動器取而代之，並配合智慧型複合式的控制方法（Intelligent Hybrid Control），那整個磁浮平台系統便將呈現一番新的風貌，非但能保有原來的優點，也會使平台的運動與系統的定位更加快速與準確。

[ 本帖最后由 superDog 于 4-4-2006 01:42 AM 编辑 ]

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罗尔斯·罗伊斯公司引领未来多电发动机技术  
Rolls-Royce Leads More Electric Technologies for the Future  

2003年 10月 31日  
航空技术的进步通常受人们对减轻重量、提高可靠性、改善性能或降低寿命期成本的不断追求所驱动。由于多电发动机技术可使发动机的结构和性能全面优化，同时获得上述几方面的巨大改进，因此，已受到世界许多国家的高度重视。目前，英国罗·罗公司在多电发动机技术的发展中已经取得了很大进展。
引言
在过去的十年中，电子技术取得了巨大发展，产生了巨大的经济效益，使许多工业产品的成本大大降低，可靠性大大提高。今后，随着高功率电子技术和高功率密度电子机械的发展，航空航天领域也将发生巨大的变革，利用先进的电力系统取代复杂的机械系统将大大提高军民用飞机的性能、改善维修性、减轻重量和降低成本。在未来的多电飞机上，空气起动系统、应急冲压空气涡轮（RAT）、环境控制系统（ECS）、机翼防冰系统、刹车系统和机械液压飞行控制系统等机械传动系统都将采用电力驱动，飞机系统所用电力均由多电发动机提供。图1是多电飞机的结构示意图。
多电发动机是多电飞机的核心系统之一，它除提供飞机飞行所需的推力外，还为飞机上的所有用电系统提供电力，发动机上的机械液压和气压系统均采用电驱动，并且无需润滑系统。与传统发动机相比，多电发动机具有性能更好、结构更紧凑、维修性和可靠性更高、大大节省运行和维护成本等许多优势。
多电发动机将大大改善未来民用飞机的舒适性。电力系统取代传统的环境控制系统（ECS），可大大增加飞机客舱的空气供应量和改善质量。电力系统的使用将增强系统的功能性和降低复杂程度，获得可靠性、重量、成本和油耗方面的好处，同时可减少约1%的燃料消耗；装在风扇轴上的发电机可产生巨大的电力输出，满足飞机客舱舒适性和客舱设备的更多要求（电话、计算机和电视等）。
从军用的角度看，多电发动机技术可大大提高发动机的推重比，从而增大飞机的武器载荷。装在发动机轴上的整体起动/发电机能够产生几兆瓦的电功率，除为多电飞机提供电力外，还可用于生成激光或微波束，作为机载高能束武器的能源。同时，多电发动机技术可延长飞机的免维修使用周期（MFOP），简化前线维修程序。此外，未来的无人机要求完全一体化的电力系统，以使整体能力达到最优。这些要求都大大促进了多电发动机技术的发展。
多电发动机的结构组成与性能优势
多电发动机是在传统的航空燃气涡轮发动机上，用主动磁浮轴承系统代替传统的滚动轴承系统，用安装在主轴上的大功率内置式整体起动/发电机为发动机和飞机提供所需要的电源，用全电气化传动附件取代机械液压式传动附件，实现发动机和飞机的全电气化传动，同时，发动机的控制系统也由集中式全权数字电子控制系统改为分布式控制系统，发动机的燃油泵和作动器也改为电力驱动。
多电发动机的核心部件包括大功率整体起动/发动机、主动磁浮轴承系统、分布式控制系统以及电动燃油泵和电力作动器等，图2是罗·罗公司的三转子多电发动机结构示意图。
1. 整体起动/发电机
多电发动机的整体起动/发电机装在风扇轴上，提供飞机所用的大量电力。它利用电机的可逆原理，在发动机稳定工作前作为电起动机工作，带动发动机转子到一定转速后喷油点火，使发动机进入稳定工作状态；此后，发动机反过来带动电机，成为发电机，向飞机用电设备供电。这个发电机也同时提供风车状态的应急电力。
采用整体起动/发电机可取消功率提取轴和减速器，减小发动机的重量和迎风面积；所产生的电功率由两根以上的发动机轴分担，可以重新优化燃气发生器，有利于控制喘振和扩大空中点火包线，改善发动机适用性；易于获得大的功率/电力，达几兆瓦。
在罗尔斯·罗伊斯公司多电发动机的高压和中压系统中，各有一个组合的整体主动磁浮轴承（AMB）和马达/发电机装置。这两个发电机可在轴间传递电力，通过更好的系统匹配提高系统的总效率。

2. 主动磁浮轴承
主动磁浮轴承（AMB）是利用电磁力使轴承稳定悬浮起来且轴心位置可以由控制系统控制的一种新型轴承，它包括位移传感器、控制器、功率放大器和电磁作动器，见图3。其工作原理是：位移传感器用于监视轴的位置，并将信息传入控制系统，控制系统确定必要的控制信号，使旋转轴位于轴承作动器的中心，控制信号被送入功率放大器，转变为电磁作动器的增大电流。
主动磁浮轴承具有无磨损、无需润滑、寿命长、转速高、无噪声、无污染、运行成本低、安全性高和振动小等许多优点。用主动磁浮轴承系统代替传统的接触式滚动轴承、润滑系统和机械（液压、气压）作动系统，大大减少了发动机的零件数，从而大大减轻了系统的重量（预计大型航空发动机可减重10%-15%）、降低了复杂性，改善了可靠性和维修性，降低了成本，免除了普通发动机滑油带来的着火危险；同时，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；另外，采用主动磁浮轴承可以减少振动，增大DN值，可使轴径更大，改善了发动机的转子动力学特性；同时，磁浮轴承可进行主动振动控制和叶尖间隙控制，还可进行状态监视。
由于高温主动磁浮轴承是机电一体化的高新技术产品，由于它涉及机械技术、电子技术、传感技术、控制技术和计算机技术等多个技术领域，存在很多技术难点，因此是国外多电发动机技术发展的重点。



3. 分布式控制系统
目前航空发动机所用集中式全权数字电子控制系统（FADEC）的所有控制处理和计算以及输入输出信号的滤波和处理都通过一个FADEC装置实现。多电发动机分布式控制系统的数据总线与系统中多个灵巧作动器或转换器相连，
每个灵巧作动器或转换器都具有一定的处理功能，可执行当地的功能。图4是发动机分布式控制系统的结构。
采用分布式控制系统可大大减轻航空发动机的重量，提高可用性，改善故障隔离特性，减少寿命期成本，减轻驾驶员工作负荷，改进发动机控制，并带来故障检测和维修性方面的巨大好处。预计，采用分布式控制系统的大型民用发动机的重量可减轻50kg左右；维修成本可减少20-30%。目前，美国TRW公司已验证了采用一个“智能”燃油阀的一个三节点分布式发动机控制系统。


4. 电动燃油泵
电动燃油泵是多电发动机的重要部件。目前航空发动机的主燃油泵都是固定排量的齿轮泵，这种燃油泵可靠性很高。但由于齿轮泵的转速与发动机的转速直接相关，因此，在有些飞行状态下齿轮泵所提供的燃油远远高于发动机所需燃油量。为解决这个问题，需要大量的燃油重新流回燃油箱，这样做的结果是燃油的温度升高，因此需要对流回的燃油进行冷却，以防止燃油系统超温。
具有智能控制器的电动燃油泵的速度与发动机的转速不相关，因此，可根据发动机的需要调整速度提供发动机所需的燃油量，而无需燃油流回，这样既减轻了系统的重量，也降低了系统的复杂性。目前，TRW公司已在推力为6672daN的发动机上验证了这项技术，所发展的燃油泵无需燃油调节系统可直接调整供给发动机的燃油流量。燃油泵中的一个双通道电子控制器通过数据总线获取燃油流量的需求信息，然后调节燃油阀的位置到所要求的燃油量。
5. 电力作动器
电力作动器也是多电发动机的重要部件之一。传统航空发动机所采用的液压作动器始终有泄漏的问题，因此当发动机系统性能下降时，总是难以判断是不是液压作动器的泄漏造成。采用电力作动器则很容易进行故障识别，因为马达和功率电子设备都传递自己的信号。此外，传统机械液压作动器的拆除非常麻烦，需要有经验的维修人员执行操作，并需要地面保障设备的支持。而电力作动器的拆除非常简单，只需断开电路，拧下与作动器连接的螺栓即可。
6. 备份轴承
主动磁浮轴承存在的最大问题是当电力失效时，高速旋转的磁悬浮转子会迅速解悬浮，造成灾难性后果，因此，多电发动机必须安装轻重量的备份轴承。以保证在磁浮轴承发生故障时要能支承高速旋转的转子，而且能够工作30分钟以上。
多电发动机技术的发展
2000年11月，英国政府起动了为期四年的多电发动机和机翼系统（MEEAWS）计划，该计划是1997年一个相似框架计划（为期三年）的继续，计划的目标是发展装在轴上的电动机和主动磁浮轴承，用电力系统取代液压、气压系统，降低飞机重量和成本，提高可靠性。
2002年2月，欧盟开始实施电力优化飞机（POA）计划，该计划是目前欧盟投资的ANTLE（经济的近期低污染）计划的继续。ANTLE是欧洲发展多电发动机技术的重要计划。这项计划集成了大量研究中的技术，希望进一步使之成熟。POA计划的研究重点是多电飞机，研究在A330级飞机上用电力系统取代液压系统，优化能量管理并验证革新的结构，计划将对飞机发动机用各种先进电力系统进行试验，并于2004年在“铁鸟”模拟飞机试验设备上进行飞行试验，该计划到2005年结束，参与该计划的包括43家实验室和公司。预计，经过5到10年的开发，到2010年-2020年，多电发动机技术可获得实用。
为满足温度能力和减轻重量的设计要求，多电发动机的发展密切依赖于电子技术和材料技术的发展，特别是绝缘技术、永磁材料和电力电子设备对于满足多电发动机和多电飞机的要求是非常重要的基础技术。目前，欧洲正在对这些领域的技术问题进行深入的研究和发展。
结论
未来几十年里，燃气涡轮发动机技术在民用航空市场仍将占据着重要地位。新颖的多电发动机将更好地满足未来经济性和环境条件的要求。尽管目前多电飞机还有许多技术难题没有解决，但它所具有的好处是毋庸置疑的。据预测，多电飞机及多电发动机的概念将在未来10-20年内研制成功。

[ 本帖最后由 superDog 于 4-4-2006 01:26 AM 编辑 ]

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http://www.nuaa.edu.cn/sci/empolder/zhuanhua_3_23.htm

一、概述

　　磁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良品质，属于高技术领域。轴承是机电工业的基础产业之一，其性能的好坏直接影响到机电产品（如超高速超精密加工机床）的科技含量及其在国际上的竞争力。本项目不仅要可以在国内建立生产磁浮轴承的高技术企业，填补国内在这方面的空白，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，本项目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。

　　磁浮轴承的基本原理

　　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。这里介绍的是主动磁浮轴承。

　　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。其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。下图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了，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相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场铁绕组上的电流变小，因此，电磁铁的吸力也变小了，被悬浮物体也能返回到原来的平衡位置。因此，不论被悬浮物体受到向上或向下的扰动，下图中的球状被悬浮物体始终能处于稳定的平衡状态。



主要开发内容

　　本项目主要开发磁浮轴承及实现其相关技术的产业化，填补国内 空白。开发的磁轴承系统主要用于超高速超精密加工机床(磨床、铣床、高速数控钻床)和离心干燥机。开发工作主要由南京航空航天大学承担，负责磁轴承系统的总体设计、控制器、功率放大器以及位移检测系统的开发工作，在江苏星轮高速机电设备制造公司的协助下，完成机床主轴头和离心干燥机的结构改造设计以及磁浮铀承在机床和离心干燥机上的工业性应用试验。


技术目标

　　主要开发高速磨床、铣床、数控钻床以及离心干燥机等高速旋

　　转机械用的磁浮轴承系统。技术指标如下：

　　☆ 转 速：10000—120000r／min;
　　☆ 主轴径向跳动：5μm— l5μm;
　　☆ 刚 度：20～100N/ m;



二、该项目国内外现状

　　1976年，法国SEP公司与瑞典 SKF轴承公司联合投资成立了 S2M公司，对超高速超精密加工机床用的磁浮轴承进行了系统的研究和开发。1977年，该公司开发了世界第一台高速机床的磁主轴。1981年在 Hanover欧洲国际机床展览会上，首次推出了 B20／500磁主轴系统，并在3500r/min速度下进行了钻、铣现场表演，其高速、高精度、高效、低能耗的优良性能引起了各国专家的极大关注。此后， S2M公司在日本和美国相继建立了一家分公司。近十几年来，该公司已开发了30多个品种数百套磁浮轴承用于各类机床。

　　1988年，瑞士IBAG公司与瑞士联邦工业大学合作，开发了高速铣床用的磁浮轴承系统，并成立了专门研制、开发、制造磁浮轴承的企业—Mecos公司。目前，S2M和Mecos已成为世界上著名的生产磁浮轴承的专业公司。下表是国外已经使用磁浮轴承系统的机床。此外，磁浮轴承在离心压缩机、分子涡轮泵、储能飞轮、离心干燥机、汽轮发电机等大型设备也得到了越来越广泛的应用。


目前，德国的GMN滚动轴承公司、日本的精工精机、东洋轴承株式会社和光洋精工等厂家都在从事这种高技术产品的研究与开发。下表是国外部分使用磁浮轴承的机床：

　　公司名称　　　机床类别　　　　最高转速 r／min　　最大功率 kw
　　　S2M　　　　钻、铣、磨　　　　　60000　　　　　　　22.0
　　　S2M　　　　　　磨　　　　　　　120000　　　　　　　3.5
　　　S2M　　　　　　磨　　　　　　　180000　　　　　　　1.0
　　　IBAG　　　　　 铣　　　　　　　40000　　　　　　　40.0
　　精工公司　　　　 磨　　　　　　　40000　　　　　　　12.0



在航空领域，1997年前后，美国德雷伯实验室( Draper Laboratory)报道了一系列有关航空发动机用的高温磁轴承的研究成果，他们成功地研制了能够在519°C高温下工作的磁轴承系统，转速为22000(r／min)，轴承的Dn值高达4.5×106(r-mm／min)，研制的高温磁轴承在单轴发动机的模型转子上成功地进行了试验。美国另一家 Synchrony公司的研究人员研制出了能在570℃高温下工作的磁轴承系统，采用了硬件冗余技术，大大提高了高温磁轴承的安全性和可靠性。美国的 GE公司和 NASA Lewis研究中心在近3年也成功地研制出了高温磁轴承;美国普惠公司在 XTC—65发动机的验证机上采用了磁轴承，已通过了100小时的试验，日本的 Ebara公司研制的高温磁轴承在410℃下，连续、安全运行了2500小时，这是迄今为止世界上连续工作时间最长的高温磁轴承系统。面对美国的超前研究，并基于保持欧洲的空中优势和安全，经过紧急磋商后，1997年12月，欧共体组成了一个由5个工业发达国家(英国、德国、法国、奥地利和瑞士)参加的联合舰队，制定了3年的 AMBI(Active Magnetic Bearings in Aircraft Turbo—machinery)研究计划，该计划从1998年4月正式启动，具体的参加单位来自上述5个国家的3所大学、3个发动机公司和 l家磁轴承公司，该计划的目的就是要和美国争夺这个高技术领域的制高点，期望率先研制出用磁轴承支承的新一代航空发动机，抢占下个世纪的航空市场，保持欧洲的空中优势。




三、技术经济分析

　　1、设备投入(含厂房、大型机电设备等)

　　机械加工设备(车、铣、磨、线切割)、 常规仪器仪表，安装、检验场地，动力电。

　　2、产品成本(原材料来源、加工难易等)

　　该项目所需的原材料可在国内市场购买，加工容易。

　　3、产品标准，质量保证体系

　　按 ISO标准组织生产并保证质量。

　　4、环保要求：

　　整个生产过程没有污染，没有特殊的环保要求。

　　5、工艺路线：

　　成熟可行。

　　6、资金需求：

　　需要投资500万元。

　　7、人员构成

　　技术和生产人员6人，财务和管理人员1人。

　　8、经济分析

　　在国内建立一个生产磁轴承的专业公司，其特征是高技术、高效益、高附加值。年产值为2000万元左右，效益为1000万元左右。

　　9、市场分析：

　　国外一套磁浮轴承的售价约为3万美元，我们研制的磁轴承的售价为3万人民币。某数控设备制造公司，年产数控钻床 30台左右，每台需要4套滚动轴承，如果全部改用磁浮轴承，每年就需要120套，而且，国内同类厂家有50家左右。此外，国内很多大型机床以及其他设备上都急需用磁浮轴承取代传统的滚动轴承。根据上述分析，在开发初期，全国每年至少需要600套以上的磁浮轴承。按这个产量估算，在开发初期的年产值可达2000万元，税前利润为1000万元左右。以后每年递增。如能打入国际市场，经济效益更加明显。

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天地一线

这位前辈，请问您目前在那行高就？