磁悬浮轴承.doc

磁浮轴承可行性分析报告一、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。磁悬浮轴承摘要磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。这项技术并没有得到欧美国家的认可。目录1磁悬浮轴承概述 2磁悬浮轴承工作原理 1磁悬浮轴承概述 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久, 但实现起来并不容易。 早在1842 年, Ea rn show 就证明: 单靠永久磁体是不能将一个铁磁体在所有 6 个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, Kenp er 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的调节磁场力的大小, 即采用可控电磁铁才能实现,这一思想成为以后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。 伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展, 本世纪 60 年代中期对磁悬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悬浮列车的研究。 磁悬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(L RBA ) 开始对磁悬浮轴承的研究; 1972 年,将第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上, 从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。 此后, 磁悬浮轴承很快被应用到国防、 航天等各个领域。 美国在 1983 年 11 月搭载于航天飞机上的欧洲空间试验仓里采用了磁悬浮轴承真空泵; 日本将磁悬浮轴承列为 80 年代新的加工技术之一, 1984 年, S2M 公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本电磁轴承公司, 在日本生产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等。 经过 30 多年的发展, 磁悬浮轴承在国外的应用场合进一步扩大, 从应用角度看,在高速旋转和相关高精度的应用场合磁悬浮轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究的主流。2磁悬浮轴承工作原理 悬浮轴承是一个复杂的机电耦合系统。在早期的研究过程中, 它由机械系统和控 制系统两个子系统组成。 计算机技术的发展为实现整个系统的智能化提供了条件, 将计算机加到系统中得到磁悬浮轴承系统。 在这个系统中, 利用计算机可以更方便地从外界拾取信号, 并对其进行智能处理, 实现轴承的稳定运行与控制。 机械系统由转子和定子组成 ( 径向轴承图 1径向轴承结构简图结构如图 1, 推力轴承结构如图 2) , 通常它们都是由铁磁叠片构成的。 转子叠片装在轴 上, 定子叠片上开有槽, 并缠绕着线圈以提供磁力。控制系统指控制转子位置的电气系统,简单的控制系统由传感器、控制器和功率放大器组成 ( 如图 3) 。 传感器: 即检测元件, 是磁悬浮轴承的重要组成部分, 位置传感器用于检测转子的偏移情况, 速度传感器用于检测转子的运动速度; 控制器: 是个整个磁悬浮轴承的核心, 其性能决定了磁悬浮轴承的好坏, 其作用是对传感器检测到的位置偏差信号进行适度的运算, 使得转子有高精度的定位,在外力的干扰作用下能通过迅速而恰当的电 流变化使转子回到基准位置; 功率放大器: 其作用是向电磁铁提供产生电磁力所需的电流。 图 3轴承控制系统简图磁悬浮轴承工作的基本原理: 通过位置传感器检测转子的轴偏差信号, 将该信号送入控制器, 通过功率放大器控制电磁铁中的电流, 从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。 磁悬浮轴承可以按磁悬浮方式和结构等多种方法来分类, 有很多类型。按悬浮方式可分为主动式和被动式; 按结构可分为立式、卧式、内转子型和外转子型; 按作用力可分为吸引式和排斥式; 按接触方式可分为完全非接 触型和部分接触型; 按电磁铁类型可分为超导式、交流控制式和直流控制式. 目前, 在磁悬浮轴承研究领域主要以主动的直流控制式磁悬浮轴承为研究对象. 图 4 为主动的直流控制式磁悬浮轴承的工作原理示意图。需要指出的是: 与主动磁悬浮轴承相比,被动磁悬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, 亦即缺少像机械阻尼或像主动轴承那样的附加手段, 因此这个系统的稳定域是很小的, 外界干扰的小变化也会使它趋于不稳定。图 4主动磁悬浮轴承工作原理示意图飞轮储能技术已经进入商业化示范应用阶段，中国与国外技术水平差距在十年以上飞轮储能的工作原理是，首先将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来；当外界需要电的时候，通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载；空闲运转时，要求能量损耗非常小。（图片由西南交通大学超导技术研究所研究人员提供）【财新网】（记者 于达维 30日发自上海）从我们小时候玩过的回力玩具汽车，到如今F1赛车上的动能回收系统，高速旋转飞轮这种既传统又陌生的储能方式，正步入商业化应用的阶段。 7月初，在南非世界杯上大出风头的保定英利集团透露了下一个高投入、高风险和高产出项目飞轮储能设备，预计年底推出第一批样机，“十二五”期间将生产至少45万台。当然，一个不容忽视的现实是，即便国际上最先进的飞轮储能设备，其储能时间也仅有十几分钟。英利的此番投入，恐怕不会像世界杯上的广告牌一样，取得立竿见影的效果。F1赛车场宠儿所谓飞轮储能技术，是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来。需要能量时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。早在上个世纪50年代，瑞士欧瑞康公司就开发出飞轮储能巴士。但此后三四十年间，由于高速旋转飞轮驱动、飞轮轴承摩擦等问题都难以解决，飞轮储能技术的发展非常缓慢。据清华大学工程物理系戴兴建教授介绍，以不间断供电备用电源（UPS）为突破点，飞轮储能设备从2000年开始实现商业示范应用。特别地，超导技术和高强度材料为飞轮储能提供了支撑。西南交通大学超导技术研究所林群煦博士说，高温超导磁悬浮轴承具有旋转损耗小、无需控制即可实现自稳定悬浮等优点。飞轮储能系统主要包括三个部分：储存能量用的转子系统、支撑转子的轴承系统以及转换能量和功率的发电机系统。与其他形式的储能技术相比，飞轮储能具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境危害小等优点。代理美国艾泰沃（active power）公司产品的北京中诚安源电力技术有限公司尹志强总经理说，现在能够实现飞轮储能商用的，包括美国艾泰沃和法国索克曼（Socomec）等公司。艾泰沃用精钢材质，其转速大概是每分钟7700转；索克曼用碳纤维材质，转速接近每分钟3万转。上海世博会和即将召开的广州亚运会上均采用了艾泰沃的飞轮发电车。据尹志强分析，一家三甲医院采用蓄电池可能要花六七十万元人民币，用飞轮UPS大概100多万元，但使用和维护成本低得多，20年内不需要任何更换。目前，德国ATZ公司、美国波音公司、日本新能源产业技术开发机构（NEDO）等都在研制容量更大、功率更高的飞轮系统。在上一赛季的世界一级方程式汽车（F1）大赛中，允许各个车队采用动能回收系统。这种系统中将刹车时的动能回收后，可以选择储存在飞轮或电池，并在6秒内释放出相当于80匹马力的能量，为赛车助力。当时的国际汽联主席科斯莫斯利（Max Mosley）表示，锂电池更适合于长期的能量储存，飞轮则适合吸收汽车大力制动下释放的巨大能量流。助力风能输出在全球风电场开发的热潮中，飞轮储能寻找到了新的发挥空间。风能具有随机性、间歇性特点，风电场输送到电网的能量也是随机波动的，给电网运行调度、系统安全运行带来巨大压力，这也成为制约风力发电规模的主要因素之一。北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院院长房建成教授说，飞轮储能可以在很大程度上解决新能源发电的随机性、波动性问题，实现风电和太阳能发电等新能源的平滑输出，方便可靠地并入常规电网。林群煦博士说，风能发电功率不稳定，可以用飞轮储能将过多的能量储存起来，能量过少的时候则释放出来，作为一个整体系统，对外输出的功率就是恒定的。根据四川大学电气信息学院汤凡博士的模拟结果，加入飞轮储能系统后，当风电场功率处于波峰时，飞轮加速旋转，将波峰能量以机械能的形式储存起来，当风电场功率处于波谷时将能量释放出来，从而提高供电质量。目前，国外有公司或研究机构已尝试将飞轮储能引入风力发电。其中，德国琵乐公司（Piller）的飞轮储能具备在15秒内提供1.65兆瓦电力的能力；美国Beacon power公司（BCON）的20兆瓦飞轮储能系统已在纽约州史蒂芬镇开建，用来配合当地风场，建成后可以满足纽约州10%的储能需要。当然，飞轮储能还具有很大的局限性。中国电力科学研究院副总工程师胡学浩表示，对于电网来说，可根据时间长短将储能可分为三大块。时间最长的是能源管理，包括抽水蓄能电站、压缩空气储能和蓄电池；时间稍短的是过渡能源，通常靠蓄电池解决；时间最短的则是超级电容和飞轮。他举例说，电动汽车用锂电池充电，但启动时需要的电压非常大，在这一瞬间就用超级电容，“没有它不行，只有它也不行。”7月初，财新记者受到德国博世基金会邀请，到意大利都灵参加欧洲开放科学论坛（ESOF）时，也感受到了各国科学家对飞轮储能等储能技术的热情。据参会的科学家表示，接纳可再生能源的智能电网中，储能设备的投资将占到将近一半。西班牙巴塞罗那材料研究所的玛利亚罗莎帕拉辛（Maria Rosa Palacin）说，飞轮和超级电容的储能时间最短，其主要用途是改善电能质量和提供不间断电源（UPS）。一般而言，飞轮储能需要电能的持续输入，以维持转子的转速恒定。一旦断电，飞轮储能通常只能维持一两分钟。这也意味着，飞轮储能优势不在于时间的长短，而是充放的快捷。与超级电容、电池等储能装置相比，飞轮储能是最昂贵的。正因为此，飞轮储能在太空飞行器反而获得了更多的应用。比如，国际空间站上有飞轮储能系统，中国也有储能和陀螺定位两用飞轮，美国还推出了飞轮储能UPS和应急供电车。中国力量如果不是英利的飞轮储能计划被媒体报道，很多公众和投资人或许还不知道，中国也有一些机构在从事相关研究。据戴兴建教授介绍，早在上世纪80年代初期，中国科学院电工研究所就开始了飞轮储能系统的探索，但之后国内没有开展实质性的研究工作。直到上世纪90年代中期，在国外技术进步的影响下，国内的飞轮储能技术研发才逐步兴起。其中，清华大学在1997年首次实现0.3千瓦时飞轮储能样机的充放电实验。几年后，该校研究人员完成了0.5千瓦时飞轮储能不间断电源原理样机，飞轮转速达到每分钟42000转。近年来，北京航空航天大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等机构还开展了飞轮储能电源的航天应用研究。房建成教授带领的团队所完成的“卫星新型姿控储能两用飞轮技术”项目，还获得了2007年度国家技术发明一等奖。房建成教授说，现在全球至少有3000套基于飞轮储能的大功率绿色电源安全运行上千万小时，但中国的飞轮储能技术还停留在实验室研究阶段，与国外技术水平差距在十年以上。西南交通大学超导技术研究所王素玉教授也曾经表示，该研究所诞生了世界上第一辆高温超导磁悬浮列车，但在研究高温超导磁悬浮轴承方面，中国起步比较晚，美国、日本和德国都领