磁悬浮轴承技术在风机与泵类设备中的应用现状

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磁悬浮轴承作为-种新颖的支撑部件，具有高转速、高精度、无磨损、无污染、长寿命、智能控制等优点，是继油润滑、气润滑之后轴承行业的又-次革命性变化，被誉为21世纪最有发展前景的高新技术之-，受到国内外科技界和企业界的密切关注。同时磁悬浮轴承能否产业化还关系着我国重大技术装备的制造水平以及精密机电-体化产品在市场上的占有率，具有重大的实际意义。此外，磁轴承技术的发展在石油石化、新能源等领域建设中起着越来越重要的作用。

1磁悬浮轴承的原理及优点1.1基本原理从原理上磁悬浮轴承可以分为两种，-种是主动型磁悬浮轴承；另-种是被动型磁悬浮轴承。因为前者具有良好的控制性能，所以它越来越广泛地应用在工业上。

主动型磁悬浮轴承基本原理如图 1所示，通过传感器检测出转子的位移信号，将该信号送人控制器，控制器按照设定的控制策略处理后经功率放大器产生控制电流，驱动电磁铁线圈产生相应的电磁收稿日期：2013-04-16基金项目：国家 自然科学基金项目(51277092)江苏势技支撑计划项目(BE201 1 188)力，实现转子悬福输 塑 囹 咂 遁 黜图 1 主动型磁悬浮轴承系统原理图1.2磁悬浮轴承的优点与传统的机械轴承相比，磁悬浮轴承具有以下优点：(1)无接触、无磨损、无润滑：磁悬浮轴承工作时，处于悬浮状态，相对运动表面之间无接触，不产生机械摩擦和接触疲劳，解决了机组部件损耗和更换问题。同时省掉了润滑系统等-系列装置，即节省了空间又不存在前述装置对环境的污染问题。

(2)低振动、低噪声、低功耗：磁悬浮轴承转子避免了传统轴承在运行时的接触碰撞引起的大幅振动以及高分贝噪声，提高了稳定性，降低了维护费用，延长了其使用寿命，同时悬浮磁悬浮轴承的低功耗，仅是传统机械轴承功耗的6% ～25%。在转速为10 000 r/min时，其功耗只有机械轴承的 15%左自 o(3)高转速、高精度、高可靠性：允许转子高速旋转，其转速主要受材料强度的限制，可以在超临界，每分钟数十万转的工况下工作，而且转子的回转精度已经达到微米级甚至更高，这是普通机械轴承远远达不到的转速和精度，而且电子元器件的可靠性在很大程度上高于传统的机械零部件。

(4)可控性、可在线工况监测、可测试诊断：我汤士明，等 磁悬浮轴承技术在风机与泵类设备中的应用现状 堕整皇 . !蔓 塑 塑- 们可以对磁悬浮轴承的静态和动态性能进行在线控制。事实上，其本身系统就实现了集工况监测、故障诊断和在线调节的-体化。

2磁悬浮轴承的国内外研究应用现状2.1国外研究应用现状目前在国外研究比较活跃的科研院校有瑞士联邦理工学院、美国维吉尼亚大学、美国的 NASA、马里兰大学、日本东京大学和千叶大学等。在企业方面，西方国家已有几十家公司在生产与磁悬浮轴承相关的产品，并且已经有公司进军中国市场，在制造磁悬浮轴承产品方面，国外主要有瑞士的 Mecos、法国的 S2M 公 司 (已被瑞典的 SKF公 司收购 )和IBAG公 司、以及 CALNETIX公 司、加拿大的 RE-VOLVE公司、芬兰 ABS公司、德 国的 LEVITEC公司、日本的精工、俄罗斯的 OKBM公司等。已有超过几十万台电磁悬浮轴承成功地应用在了水泵、风机、压缩机等 300多个领域，并且仍在不断探索中。

具有23年磁悬浮轴承设计历史的Mecos公司，其最新发布的透平机系列产品技术指标如下：透平二氧化碳空气循环鼓风机，轴承直径 48mm，转子质量 3.6 kg，转速54 000 r/min，电机功率12 kW。透平发电机，轴承直径 110 mm，转子质量110 kg，转速 32 000 r/min，电机功率 450 kW。透平增压泵，转速 24 000 r/min，电机功率 800 W。透平分子泵，转速为 2 4000～50 000 r/min，转子功率达到 1 400 kW[ 。

SKF公司认为磁浮轴承可达到更高的圆周速度，并在天然气处理流程中直接运行，是更简单、更紧凑、无干气密封的整合型压缩机设计的理想技术之眩所以已有超过 700个涡轮机磁悬浮轴承在天然气的上游、中游和下游中使用。在 2011年，TA-TOIL公司与 SKF签署世界首台海底天然气磁悬浮压缩机的合同，旨在使位于北海的 Asgard气田海底压缩站在 2014年投入运行，之后将从气田里提取更多的天然气。市场上超过 12 000个的涡轮分子真空泵(主要用于半导体工业)现在使用的是 SKF提供的磁悬浮轴承系统组件 J。而 日本著名的日立公司早在 1991年就与 S2M合作 ，并与 1992年生产制造了第-台磁悬浮离心压缩机。

芬兰 ABS公司的 HST高速磁悬浮离心鼓风机，主要用于污水处理厂和工业低压工艺。性能范围：流量700-10 000 m3/h；升压范围：40～125 kPa，其最新推出的也是最先进的 HST40现在流量可达 16 00013. /h，而且压力可变。它的优势体现在其效率，比目前市场上其它鼓风机相比可高出 10%。而 日本川崎 HST高速磁悬浮离心鼓风机有 2500、6000、 19000三个系列。其性能范围：流量：800～10 600 jIl /h；升压范围：40～130 kPa 。 ；2003年 1月，麦克维尔空调公司在美国正式向 ：全球发布了世界上第-台采用磁悬浮离心式压缩机 1150 t水冷式冷水机组 WFC6 J，并顺利通过美国制 ：冷空调与供暖协会认证，作为世界领先水平的磁悬 ；刚调，能达到 67 dB的超低运行噪声，而且不断推 j出性能优越的磁悬浮新产品。2013年，麦克维尔将 !正式向中国及亚太地区发布其第二代磁悬跟组。 j2011年，美 国江森 自控正式在中国市场推出 jYMC2磁悬浮变频离心式冷水机组。YMC2的制冷量为700-1 400 kW，它集合了江森 自控的最先进 i的核心技术 YMC2可以显著提高机组的满负荷和部 i分负荷效率，比常规离心式机组提高 10%以上，实 i现卓越的全天候运行效率…森 自控约克在磁悬浮 i离心机领域也是 目前市场中唯-能够做到 3 500 ikW 的企业 。

综上所述，国外磁悬浮轴承在风机和泵类设备上技术比较成熟和先进，产业化成熟，工艺也比较完 i善，取得了在多个领域的大量应用实践经验。 j2.2国内研究应用现状我国在磁悬浮轴承相关领域的研究工作起步较晚，进展较缓慢，远远落后于国外。不过相关研究-直在高校和企业中开展，并在理论分析方面取得了许多研究成果，产品应用则刚刚起步。2005年 8月，第-届中国磁悬浮轴承学术会议在北京顺利召 i开，2010年8月第12届国际磁悬浮轴承学术会议 ；由武汉理工大学、西安交通大学举办，汇集了国内外 i主各家磁悬浮轴承研究单位的近期研究成果和相关学 ；科方面研究的最新进展、动向等，对推动我国相关先 i. 。

进技术进步有着重要的意义。 ；薏西安交通大学磁悬讣术科研人员认为，基于 i国内这些年的理论准备和研究积累，磁悬浮轴承的 霪技术发展不存在实质性的困难 J。同时我国掌握 i术了有关磁悬浮轴承的许多关键技术，很多都是国际 ；岚上的首创，并且被国际上其他相关单位采用。 i清华大学作为我国最早从事磁悬浮轴承研究的 i单位之-，其磁浮轴承研究已基本脱离了实验室阶 j设段，2004年，赵鸿宾教授所在的机电与控制实验室 军实现了数控高速磁轴承转速近 50 000 r/min，回转 j精度1 p.m，这些成绩在国内均属首创，并且自行研 i量制的磁悬浮轴承已经被应用在 10 MW 高温气冷堆 状氨气透平发电项目上。该透平压缩机的功率可以达到2 500 kW，其工作转速为 15 000 r/min 。2008 ；年，清华大学与浙江飞旋科技有限公司合作研发的 69 触持电棚 2013年第4l卷第8期基于交叉反镭制的 FS450型分子泵磁悬浮轴承是我国第-个成功应用于磁悬浮轴承技术的产品。这- 技术的突破结束了国外的长期垄断，是继法国、德国、美国、加拿大等少数发达国家之后，我国也成为拥有 自主知识产权的磁悬浮轴承制造技术 的国家 。

南京航空航天大学是目前国内磁悬浮轴承研究领域中较活跃的单位之-，也是国内电磁悬浮领域中研究成果较多的高校。2009年，由该校徐龙祥教授团队研发、南京磁谷科技有限公司生产的国内第- 台 自主知识产权的磁悬浮鼓风机 ，额定转速40 000 r/min，额定功率 70 kW，额定流量 40 m /rain，额定升压60 kPa，在污水处理厂成功连续运行，被科技部和环保部列人国家重点新产品计划项 目。

并于 2010下半年并投入量产，其产品不仅可节能15%、降耗 80%以上，而且价格也远远低于国外同类产品 。

山东大学磁悬浮轴承工程技术研究中心与中国医学科学院阜外心血管病医院合作，经过-年的攻关，2009年成功研制出国内首台轴流式可控磁悬浮人工心脏泵样机，解决了轴流式磁悬浮人工心脏泵开发研究中的基础难题 。由此大大延长了起搏器的寿命，同时对病人的寿命延长也是功不可没。

企业方面，2006年，中国第-台磁悬浮中央空调在海尔问世。其磁悬浮中央空调已经成功地在多个建筑和] 程项目上通过了长期稳定的运行考验，如：深圳招商地产总部办公大楼、河南南阳龙鑫国际大酒店、洛阳凯芙建国酒店、世茂集团北京世茂工三期项 目、北京地铁房山线、香港北大屿山医院等。

2009年，海尔研发出第二代磁悬浮离心机组；2010年底，海尔研发出中国第-台风冷磁悬跟组；2011年，水源热泵磁悬浮在海尔问世。2012年 5月 18日，海尔中央空调在青岛举行了磁悬浮变频离心机应用交流会并成立国内首个磁悬浮变频离心机专家顾问委员会 ，海尔显然成为了这场中央空调产业应用新革命浪潮的主导者。

综上所述，国内磁悬浮轴承技术虽然在风机和泵类设备中实际应用中取得了重大突破，但是与国际比起来仍非常有限，市场产业化技术上最大的欠缺是工艺和可靠性问题。

3磁悬浮轴承在空调应用中的技术性和经济性分析3.1技术性分析：! 随着科技的不断进步与发展，磁悬浮轴承性能70 在不断地提升，同时受电子元件的集成化也促使其成本逐年降低。虽然国内外经过多年的探索，磁悬浮产品在不少领域成功地应用，但是该项技术领域仍然存在很多难题，如控制系统的优化设计以及材料转子轴系动力特性问题等。为了更有效地改进控制方法和策略，需要在深入研究控制系统的同时，着重研究转子系统的动力学特性，从而达到对复杂转子的理想控制。

目前空调风机多采用机械轴承，风机主轴与轴承之间会产生机械摩擦，而电机必需克服这部分摩擦才能驱动风叶旋转，同时造成电机发热，产生较大幅度的振动，使得风机寿命降低。要想实现风机长时间的运行，还需轴承润滑系统和冷却系统的改进。

如果采用磁悬浮轴承，定、转子之间没有机械摩擦，磁悬浮轴承运转阻力为零，不会发热，从而省去了冷却系统和润滑系统，减少了体积重量，提高了可靠性和寿命，悬浮运转大大减少了机械噪声，同时也大大减少了机械振动，振动幅度远远小于普通风机，提高了整个空调的稳定性。

从 目前国内的磁悬浮轴承技术水平来看，虽然已经具备了应用在常温设备上的条件，但是仍然存在两方面的问题：-方面由于较难实现磁悬浮轴承转子的高精度控制，因而造成系统可靠性差以及故障率高；另-方面，欠缺标准化的产品工艺。

3.2经济性分析上述磁悬浮轴承的各种优点的实现是建立在-套复杂的电子控制系统上。因为构成系统重要组成部分的传感器费用比较高，再加上控制系统的设计费用，整体成本是普通机械轴承的数十倍以上，所以这在很大程度上限制了它在工业上的应用和推广。

从长远看，传统风机和泵类设备能耗高，其在整个能耗中占很大比重，长时间的工作运行，电力成本昂贵，尤其是中后期的维护和损耗特别明显，导致整个系统的能耗以及开支增加。采用磁悬浮轴承还可以节省-些装置的配置费用，如：润滑系统、齿轮传动装置、冷却系统等。如果折算成磁悬浮轴承的费用，数 目相当可观。

近年来，绿色节能是低碳经济发展的主旋律，也是全球机电行业未来发展的方向。中国政府确定了建设资源节约型、环境友好型社会的奋斗目标，全面推进绿色低碳经济的发展。从 2012年起，财政部、发改委、工信部决定将消费品领域的高效节能台式计算机和高效节能单元式空调以及工业品领域的风机、水泵、压缩机、变压器灯 6大类产品列入新-轮节能补贴覆盖范围内，纳入国家财政补贴范围。这将会率先拉开对节能空调的推广普及的大幕。

(下转第73页)汤士叼 等 磁悬浮轴承技术在风机与泵类设备中的应用现状 械持电棚 2013年第41卷第8期展的过程后，要进行电机故障机理的研究，能够达到掌握各类故障的内因、本质及特征的目的，并研究建立电气设备故障分析的物理和数学模型，进行仿真计算，从中总结出-般性的规律，找出故障特征量。

通过以上的研究方法和技术的提升，可以有效地指导微特电机高可靠长寿命的设计，并对产品的可靠性实现监测与诊断。

2展望未来随着航天科技的迅速发展，全球空间疆域的探索和博弈，美国、俄罗斯、欧空局成员国、日本、印度等为代表的技术强国航天活动频繁，竞争激烈。我国十二五”期间载人航天二期、探月二期、二代导航系统和高分对地观测系统专项全面实施，表明航天技术对微特电机的发展进入了新的发展时期，我们肩负着国家使命和社会责任，任重道远。微特电机及组件在航天器中起着关键作用，随着航天领域的技术向小型化、集成化、高精度、高可靠、长寿命方向发展，微特电机同样要同步发展，更重要的是随着环境适应性要求更高，微特电机的设计制造难度将更大。我们要继续与国家发展战略保持同步，不断技术创新，牢牢掌握前沿技术和核心技术，建立核心能力保障体系；要看到国外竞争对手的崛起与不断成长，他们形成的压力不可小视；在整个航天体系产业链中微特电机及组件是关键器件，如何有效地统筹利用资源，超前开发前沿技术，牢牢掌握核心技术，整体协调发展，如何利用航天技术提升微特电机整体水平，把握机遇搭建平台，顺势发展，为国家多作贡献是目前的首要任务。