主动控制电磁悬浮轴承高速重载旋转机械解决方案

主动控制电磁悬浮轴承高速重载旋转机械解决方案

主动控制电磁悬浮轴承高速重载旋转机械解决方案

13910662214 ， [email protected]清华大学核能与新能源技术研究院助理研究员

中国机械工程学会磁悬浮与气悬浮技术专业委员会秘书长国家注册咨询工程师， ANSYS 有限元一级机械分析师

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徐旸博士 , 副教授 ( 博导 )

轴承在机械行业中的地位就如同芯片在 IT行业中的地位。这项技术目前所面临的态势与 60年代初电

子计算机的发展状况极为类似，它将迅速地发展并为越来越多的技术领域所接受。

--Gerhard.Schweitzer (1994)

1. 背景2. 基本原理与性能特点3. 国内外技术应用案例4. 技术特点和产业化思路5. Q&A

1. 背景1. 背景

1. 背景1. 背景

主动控制电磁悬浮轴承（ Active Magnetic Bearing ，简称“电磁轴承”、“磁轴承”或“ AMB”）是利用电磁铁线圈中的电流产生不接触的可控电磁力来使转子运转于空间稳定悬浮状态的一种装置。

1. 背景1. 背景

20 世纪 30 年代 70~90 年代 21 世纪

产品生命周期曲线

1. 背景1. 背景

研究现状：基本技术已经成熟产业现状：产业化初期

--- 年产值约 10 亿美元

2003 年累计 / 台套

2009 年年 / 台套

透平膨胀机 64 340

压缩机 111 152

电动机 /发电机 280 81

透平真空分子泵大于 70000 约 20000

公司技术人员 10 人 100 人

法国 S2M 公司

国际上

1. 背景1. 背景

研究现状：各项技术研究基本与世界同步产业现状：基本空白

国内

产业化技术研究

契机：能源产业快速发展、振兴装备制造业转变经济增长方式

寻求产业化合作伙伴

实验室技术产品应用

2. 基本原理与性能特点2. 基本原理与性能特点


单自由度电磁轴承：

传感器

电磁线圈

电磁轴承主要由两大部分组成：

◆ 机械结构部分 ◆ 电气控制部分

刚性转子 6 个自由度，除旋转自由度外，需要 5 组单自由度电磁轴承约束。


多自由度电磁轴承：


多自由度电磁轴承：余热气体回收压缩机

一体式电机驱动压缩机


由于转子运转于与定子无接触的稳定悬浮状态，因此电磁轴承具有以下突出的性能特点：

1 ）不接触、无须润滑（无需预热），无磨损； 2 ）转子转速可以达到材料和结构允许的极限转速； 3 ）系统运行费用低，维护费用少，使用寿命长； 4 ）对极端高温、极端低温的运行特殊环境都具有很好的适应性； 5 ）通过控制器的设计，可有效抑制外界干扰和系统振动；实现超临界运转、低噪声自平衡运转等； 6 ）实时监测系统的运行转态，便于提高系统的稳定性和安全性。

3. 国内外技术应用案例3. 国内外技术应用案例


电磁轴承的出现和应用，打破了许多传统的观念，导致了支承技术的革命。事实也正如 G.Schweitzer先生所预料的一样，近十几年间，随着磁性材料技术、电力电子技术、转子动力学和控制理论的进步，电磁轴承技术飞速的发展并日趋成熟，国际上已有超过 10万台电磁轴承设备成功的应用在了水泵、风机、离心机、压缩机、高速磨铣切削机床、飞轮储能装置等 300 多个领域，并且仍在不断的扩展。


很多大学和科研机构很早就已经开展了电磁轴承技术的研究，如瑞士联邦工学院、美国的维吉尼亚大学、马里兰大学、伯克利大学、德州大学奥斯丁分校，日本的东京大学、茨城大学和千叶大学等。电磁轴承技术在一些国家已逐渐走向成熟，涌现出一大批知名的电磁轴承设计和制造公司，如瑞士的 MECOS 公司、加拿大的REVOLVE 公司、法国的 S2M 公司、德国的 LEViTEC 公司、芬兰的 High Speed 公司、俄罗斯的 OKBM 、美国的NASA 、 Waukesha 公司和日本的精工等。


高速、重载轴承解决方案

转速

质量

目前的传统轴承

磁轴承技术前沿

学术界（磁轴承、混合轴承特殊环境

无油透平分子泵大功率鼓风机、压缩机、膨胀机涡轮燃气机储能飞轮高速电主轴人工心脏航天动量飞轮陀螺仪高温堆氦气风机、氦气透平

“三干”电机风能发电机电磁阻尼器舰载电机高速离心机带材纠偏辊磁悬浮工作平台。。。。。。


应用案例

MECOS 公司分子泵－－ 36000-50000rpm


应用案例

MECOS 公司膨胀机32000rpm, 500kW


应用案例

S2M 公司压缩机9775rpm, 8MW


应用案例

S2M 公司酸性气体膨胀机6900-14000rpm


应用案例S2M 公司 9MW 气轮机－－ 6000rpm


应用案例

IBAG 公司的高速铣头 , 7-40KW 40000-70000rpm（ MECOS 配套电磁轴承）


应用案例

Levitronix 公司植入型人工心脏


应用案例

清华大学磁轴承实验室

过临界细长转子


应用案例

清华大学磁轴承实验室

氦气鼓风机


应用案例清华大学磁轴承实验室

高温堆氦气透平


应用案例清华大学磁轴承实验室

重载磁轴承试验台架


应用案例


4. 技术特点和产业化思路4. 技术特点和产业化思路

技术特点：磁轴承是典型的机电一体化系统，技术涵盖面广，综合性强。

关键技术：传感器、控制系统、转子动力学、辅助轴承、材料等



◆ 采用电涡流、电感、电容、光电式等高灵敏度位移传感器，须满足响应速度快，抗干扰能力强等特殊要求。

关键技术 -- 高灵敏度传感器

关键技术 -- 控制算法与控制器

◆ PID 控制算法和高速 DSP 控制。


◆ 用于电磁轴承控制的高性能的专用功率放大器，须具备大功率、高带宽、大电流、高频响、抗干扰能力强等特点。

关键技术 -- 高性能功率放大器


◆ CAD 、 CAE 、 FEA

◆ 转子动力学计算、分析

◆ 振动测试

◆ 系统辨识

关键技术 -- 转子动力学


◆ 采用深沟球轴承设计的辅助轴承可以提供转子在全速运转下 10 次以上的跌落保护。

关键技术 --辅助轴承


◆ 使用软磁材料和低涡流损耗的叠片结构，并根据不同的应用场合，选择能够适应环境的相关线圈和铁磁材料，如耐高温、耐腐蚀材料等。

◆ 工艺

关键技术 -- 线圈与铁磁材料


国内外技术状况分析：国际上： S2M为代表

国内：清华大学、南京航空航天大学为代表


70 年代初从航天器应用研究项目起步，迅速成立公司，发展至今。技术比较成熟，工艺也比较完善，取得了在多个领域的大量应用实践经验。

“量身定做”产品，价格高昂。

无可靠性研究，标准化产品工艺欠缺。

历经多次资产重组，研发精力投入少。


国际磁轴承技术

从 80 年代初发展至今，大部分功能性技术已经比较成熟，各种类型实验台架、样机做了不少，但总的来说实践经验仍非常有限，技术上也存在一定的缺陷：实现功能不难，难在做的东西可靠、好用


产业化技术上最大的欠缺：

工艺和可靠性

国内磁轴承技术


磁轴承未来可能的发展趋势：可靠、易用、价廉技术上：

磁轴承成为标准件：专注于轴承及其关键技术结构组件、电气组件成为标准件可靠性和保护轴承技术发展：

可靠性提升，只保留一个静态辅助支承（滑动）全数字控制，参数实时可调轴承和电机合为一体

…… （智能机电产品）


国内技术发展的一些局限：资金：实验室技术到产业化之间的投入

市场：对市场需求了解的局限

地校合作、企校合作实现优势互补

解决方案


合作产业化模式（初步思路）： 1 、选择一个示范性应用

应具备条件：有市场前景，适合使用磁轴承

2 、针对应用项目进行共同开发完善工艺设计、提升性能形成完备技术文件、设计规范形成完整知识产权

3 、共同建立产业实体新产品、新技术的滚动技术推广和技术咨询服务市场


目标：用 2~3 年时间，完成全部技术产业化的转化工作

形成良好的产品示范和收益形成完备技术文件、设计规范和完整知识产权形成初步的技术和服务市场


产业化后的产业发展模式（初步思路）：抓住核心，技术、应用滚动发展；抓住主线，有侧重发展产业上下游链条；市场开发，完善技术推广、技术咨询、售后等服务。


附属合作产物：

1 、高技术装备制造业的定向人才培养

2 、依托清华大学的其它技术的深入研发与产业化合作

谢谢！

主动控制电磁悬浮轴承高速重载旋转机械解决方案

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主动控制电磁悬浮轴承 高速重载旋转机械解决方案

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