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      磁懸浮軸承的發展歷史

      近年來,隨著磁懸浮相關電磁學、電子學、控制理論、機械學、轉子動力學、材料學和計算機科學等學科的不斷發展,磁懸浮相關產品、應用不斷擴大,可以說是進入爆發期。以超級高鐵為例,就多種技術路線,有日本的低溫超導(如MLX01、L0等磁懸浮列車),中國的高溫超導(如西南交通大學研究的真空管道高溫超導磁懸浮試驗系統“Super-Maglev”),德國的電磁力(TR01—TR09系列磁懸浮列車等),以及馬斯克的真空高鐵計劃(Hyperloop系統)等。磁懸浮已經成為一種能夠直接或間接帶動大量相關產業的底層創新。


       “磁懸浮軸承是一種利用磁場力將轉軸及載荷無機械摩擦、無潤滑地懸浮在空間的一種新型高性能軸承”。磁懸浮軸承做為一項新的現代支承技術,發展情況我們簡單做個梳理。

      一、發展歷史

      1842年,英國劍橋大學的恩休(Eamshaw) 提出了磁懸浮概念,并證明了鐵磁體不可能僅由另一個永久磁鐵支承而在六個自由度上都保持自由、穩定的懸浮,必須至少有一個自由度被機械或其他約束所消除。經過近一個世紀的研究及其他科學技術的發展,1937年,肯珀(Kemper)申請了一項有關懸浮支承的專利,其構成了之后開展的磁懸浮列車和磁懸浮軸承研究的主導思想。1938年肯珀采用電感式傳感器和電子管放大器做了一個可控電磁鐵,對一個重量為2 100 N的物體成功實現了穩定磁懸浮,這就是磁懸浮列車的雛形。在同一時期內,美國弗吉尼亞大學的比姆斯(Beams)和霍姆斯(Holmes)采用電磁懸浮技術懸浮小鋼球,通過鋼球高速旋轉時能承受的離心力來測定試驗材料的強度,所達到的旋轉速度高達1.8x106 r/min,這可能是世界上采用磁懸浮技術支承旋轉物體最早的應用實例。


      伴隨著現代控制理論和電子技術的飛躍發展,從20世紀60年代初,國際上磁懸浮軸承在空間技術中最先開展應用。美國德雷伯實驗室首先在空間制導和慣性輪上成功地使用了磁懸浮軸承。1969 年,法國軍部科研實驗室開始對磁懸浮軸承進行研究,并在1972年,將第一個磁懸浮軸承用于衛星導向輪的支承上。20世紀60年代后,美國、日本、法國、前蘇聯等國家紛紛開始進行主動磁浮軸承的研究工作,這一時期的工作為以后的實踐打下理論基礎。


      20世紀70年代后,隨著大規模集成電路、新型永磁材料的出現和科技發展的迫切需要,磁懸浮技術迅速發展,并在許多領域得到應用,如機械工業領域中各種高速旋轉機械包括各類機床、渦輪分子泵、高速離心機、渦輪發電機、液氦泵等。1977 年,美國麻省理工學院的林肯實驗室設計并制造了一種用于宇宙飛船動量或能量儲存飛輪的磁懸浮軸承。1976年,法國SEP公司和瑞典SKF軸承公司共同投資建立的S2M公司,在1981年的Hanover歐洲國際機床展覽會上,首次推出B20/500磁浮主軸系統,并在35 000 r/min下進行了現場鉆、銑削表演,該公司還在1983年的第5屆歐洲機床展覽會上展出了系列磁浮軸承和其支承的機床主軸部件。1983年,美國航天飛機的歐洲空間艙內安裝了采用磁懸浮軸承的真空泵。1986 年,日本在H-1型火箭上進行了磁懸浮飛輪的空間試驗。1994 年,Meeks 等人為航空發動機設計了兩代航空用的磁懸浮軸承,轉速達到了24 000r/min,軸承環境溫度達到了420 ℃左右。1997 年前后,美國德雷伯實驗室又報道了一系列有關航空發動機用的高溫磁懸浮軸承研究成果,成功地研制了能夠在510 ℃高溫下工作的磁懸浮軸承系統,研制的高溫磁懸浮軸承在單軸發動機的模型轉子上成功地進行了實驗。

      二、國內研究情況

      國內從20世紀80年代初開始研究磁浮軸承技術。1980年清華大學開始對磁浮軸承的穩定性進行研究;1981年上海微機電研究所研制了用于徑向、軸向主軸的磁浮軸承:1986年廣州機床研究所與哈爾濱工業大學首先對“磁力軸承的開發及其在FMS中的應用”這一課題進行了研究。目前在國內許多科研院校,如清華大學、武漢理工大學、北京航空航天大學、上海大學、南京航空航天大學、西安交通大學、江蘇大學、國防科技大學、浙江大學、山東大學等都在開展磁懸浮軸承方面的研究。其中,清華大學主要進行磁懸浮軸承在高溫氣冷堆中的應用、磁懸浮儲能飛輪、磁懸浮高頻電主軸和柔性轉子控制器等方面的研究;武漢理工大學研究了磁懸浮高速硬盤的關鍵技術;上海大學主要進行磁懸浮高速電主軸及智能磁懸浮軸承的研究;國防科技大學側重于磁懸浮儲能飛輪的研究;浙江大學主要進行主動磁懸浮軸承控制、轉子在軸承失效后墜落過程中的瞬態響應和高溫超導磁懸浮軸承等方面的研究;山東大學主要針對電主軸用磁懸浮軸承的結構、控制及傳感器進行研究,還針對軸流式人工心臟泵系統設計進行了研究;南京航空航天大學的研究重點是磁懸浮高速電機和磁懸浮軸承在航空發動機中的應用等;北京航空航天大學主要進行磁懸浮飛輪用磁懸浮軸承的研究,西安交通大學主要針對高溫超導磁懸浮軸承、主動磁懸浮軸承的結構設計、控制器和動力學特性等進行研究;江蘇大學主要針對電主軸用交流磁懸浮軸承的結構及控制進行研究,并且對人工心臟泵用的永磁懸浮軸承的結構及性質進行探討。


      國內高校的研究和企業的結合,目前在風機、泵類、壓縮機等設備實際應用中取得了重大突破,但是與國際相比,在高端應用(高性能機床、儲能飛輪等)市場還有差距,工藝和可靠性問題仍待進一步加強。

      三、學術交流

      在國內磁懸浮軸承學術交流方面,為促進國內磁懸浮軸承研究者之間交流與學習,從2005 年開始,國內每兩年召開一次中國磁懸浮軸承學術會議。2007 年,在清華大學核能與新能源技術學院與第二屆中國磁懸浮軸承學術會議籌備委員會的努力下,成立了磁懸浮與氣懸浮技術專業委員會,該委員會的成立為加速我國磁懸浮與氣懸浮技術的學術研究及工程應用起到推動作用。2021年,第九屆中國磁懸浮技術學術會議”將于2021年7月20-23日在四川省成都市舉行。本次會議由中國機械工程學會全國磁懸浮技術專業委員會主辦,西南交通大學承辦。  


      在工業應用方面,磁懸浮軸承不僅應用于航空、航天等領域,而且已迅速應用到基礎工業部門的數百種不同的旋轉或往復運動機械上,如熱汽機、熱泵、高速磨床、高速銑床、高速車床、高速電動機、離心機、透平壓縮機、真空泵等,所達到的技術指標范圍為:

      1)轉速:(0~8) ×105r/min;

      2)直徑:14~600 mm;

      3)單個軸承承載力:(0.3~5)×104N;

      4)使用溫度范圍:-253~450℃;

      5)剛度:105~108 N/m。

      四、市場份額

      根據Ken Research 2018年發布的“2017-2023年全球磁懸浮軸承市場分析與預測”來看,預計全球磁懸浮軸承市場的復合年增長率為 4.14%。預計到 2023 年,全球磁懸浮軸承市場將達到 81.817 億美元。


      按類型劃分,2017年主動磁鐵軸承細分市場占最大市場,市場份額為 33.889 億美元,在預測期內以 4.48% 的復合年增長率發展。


      從應用來看,2017年渦輪機細分市場占據主導地位,市場份額為17.653億美元,預計將以4.93%的復合年增長率發展。


      從應用速度來看,2017年最高50 000 r/min萬轉細分市場的市場規模最大,市場份額36.537億美元,預計將以4.33%的復合年增長率發展。


      按終端用戶計算,電力板塊占最大市場份額24.743億美元,預計將以4.54%的復合年增長率發展。


      從地域上看,亞太地區預計將在全球磁懸浮軸承市場中占據最大的市場份額,約為 35.18%。

      參考文獻:

      [1]張維煜,朱熀秋,袁野.磁懸浮軸承應用發展及關鍵技術綜述[J].電工技術學報,2015,30(12):12-20.

      [2]KEN RESEARC CH . MRFR/IA - E/4484-CRR.

      [3]全國磁懸浮技術專業委員會. http://www.china-amb.org/.

      (來源:軸承雜志社)


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