磁轴承要得到广泛的应用,模拟控制器的在线调节性能差不能不说是其原因之一,因此,数字化方向是磁轴承的发展趋势。同时,要实现磁轴承系统的智能化,显然模拟控制器是难以满足这方面的要求。因此从提高磁轴承性能、可靠性、增强控制器的柔性和减小体积、功耗和今后往网络化、智能化方向发展等角度,必须实现控制器数字化。近三十年来控制理论得到飞速发展并取得了广泛应用。
磁轴承的工作原理
利用电场力、磁场力使轴悬浮的滑动轴承。用电场力悬浮的为静电轴承,用磁场力悬浮的为磁力轴承(见图),用电场力和磁场力共同悬浮的为组合式轴承。后一种轴承既有电极又有磁极,在电路连接上使电容和电感相互对应调谐,其刚度比前两者要高得多,而最大力所对应的位移却很小。电磁轴承因轴与轴承无直接接触,不需润滑,能在真空中和很宽的温度范围内工作,摩擦阻力小,不受速度限制(有的转速高达2300万转/分,线速度高达3倍音速),使用寿命长,结构可多样化。静电轴承需要很大的电场强度,应用受到限制,只能在少数仪表中使用。磁力轴承具有较大的承载能力和刚度,已用于超高速列车、超高速离心机、水轮发电机、空间飞行器的角动量飞轮、流量计、密度计、功率表、真空泵、精密稳流器和陀螺仪等。随着磁性材料和电子技术的发展,电磁轴承的应用正日益扩大。
电场力与电场强度、电位移和电极面积成正比,磁场力与磁场强度、磁感应强度和磁极面积成正比。适当选择电场或磁场参数和几何尺寸,可得到一定的轴承承载能力和刚度。静电吸力或磁引力与物体间距离的平方成反比,根据安尔休定理,这种静力学系统是静不定的,所以除采用抗磁体或超导体的轴承外,在静电场或静磁场下工作的轴承是不稳定的。为使电磁轴承能稳定工作,必须采用伺服装置或调整电路参数等方法进行控制。实际使用的电磁轴承一般由径向轴承、推力轴承、伺服控制回路、阻尼器、速度传感器或位置传感器等组成。