基本原理与性能特点多自由度电磁轴承课件.ppt

1、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&A1. 1. 背景背景1. 1. 背景背景 主动控制电磁悬浮轴承（主动控制电磁悬浮轴承（Active Magnetic Bearing，简称简称“电磁轴承电磁轴承”、“磁轴承磁轴承”或或“AMB”）是利用电）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磁铁线圈中的电流产生不接触

2、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。转于空间稳定悬浮状态的一种装置。1. 1. 背景背景20世纪世纪30年代年代 7090年代年代 21世纪世纪产品生命周期曲线产品生命周期曲线1. 1. 背景背景研究现状：基本技术已经成熟研究现状：基本技术已经成熟产业现状：产业化初期产业现状：产业化初期 - 年产值约年产值约10亿美元亿美元2003年年累累计计 / 台套台套2009年年年年 / 台套台套透平膨胀机透平膨胀机64340压缩机压缩机111152电动机电动机/ /发电机发电机28081透平真空分子泵透平真空分子泵大于大于 70000约约 20000公司技术人员公司技术人员10人人1

3、00人人法国法国S2M公司公司国际上国际上1. 1. 背景背景研究现状：各项技术研究基本与世界同步研究现状：各项技术研究基本与世界同步产业现状：基本空白产业现状：基本空白国内国内 产业化技术研究产业化技术研究契机：能源产业快速发展、振兴装备制造业契机：能源产业快速发展、振兴装备制造业 转变经济增长方式转变经济增长方式寻求产业化合作伙伴实验室技术实验室技术 产品应用产品应用2. 2. 基本原理与性能特点基本原理与性能特点2. 2. 基本原理与性能特点基本原理与性能特点单自由度电磁轴承：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

4、旋转自由度外，需要5组单自由度电磁轴承约束。2. 2. 基本原理与性能特点基本原理与性能特点多自由度电磁轴承：多自由度电磁轴承：2. 2. 基本原理与性能特点基本原理与性能特点多自由度电磁轴承：多自由度电磁轴承：余热气体回收压缩机余热气体回收压缩机 一体式电机驱动压缩机一体式电机驱动压缩机2. 2. 基本原理与性能特点基本原理与性能特点 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：下突出的性能特点： 1）不接触不接触、无须润滑（无需预热），无磨损；、无须润滑（无需预热），无磨损； 2）转子转速可以达到

5、材料和结构允许的极限转速；）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；）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）对极端高温、极端低温的运行特殊环境特殊环境都具有很好的适应性；都具有很好的适应性； 5）通过）通过控制控制器的设计，可有效抑制外界干扰和系统振动；实现超器的设计，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；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。）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. 3. 国内外技术应用案例国

6、内外技术应用案例3. 3. 国内外技术应用案例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。术的革命。 事实也正如事实也正如G.Schweitzer先生所预料的一样，近十几年间，随着先生所预料的一样，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

7、磨铣切削机床、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、飞轮储能装置等飞轮储能装置等300多个领域，并且仍在不断的扩展。多个领域，并且仍在不断的扩展。3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例 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，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。等。 电磁轴承技术在一些国家已逐渐走

8、向成熟，涌现出一大批知名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，如瑞士的的电磁轴承设计和制造公司，如瑞士的MECOSMECOS公司、加拿大的公司、加拿大的REVOLVEREVOLVE公司、法国的公司、法国的S2MS2M公司、德国的公司、德国的LEViTECLEViTEC公司、芬兰的公司、芬兰的High SpeedHigh Speed公司、俄罗斯的公司、俄罗斯的OKBMOKBM、美国的、美国的NASANASA、WaukeshaWaukesha公公司和日本的精工等。司和日本的精工等。 3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例高速、重载高速、重载轴承解

9、决方案轴承解决方案转速转速质量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无油透平分子泵大功率鼓风机、压缩机、膨胀机大功率鼓风机、压缩机、膨胀机涡轮燃气机涡轮燃气机储能飞轮储能飞轮高速电主轴高速电主轴人工心脏人工心脏航天动量飞轮航天动量飞轮陀螺仪陀螺仪高温堆氦气风机、氦气透平高温堆氦气风机、氦气透平“三干三干”电机电机风能发电机风能发电机电磁阻尼器电磁阻尼器舰载电机舰载电机高速离心机高速离心机带材纠偏辊带材纠偏辊磁悬浮工作平台磁悬浮工作平台。3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例MECOS公司分子泵公司分子泵36000-50000rp

10、m3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例MECOS公司膨胀机公司膨胀机32000rpm, 500kW3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例S2M公司压缩机公司压缩机9775rpm, 8MW3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例S2M公司酸性气体膨胀机公司酸性气体膨胀机6900-14000rpm 3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例S2M公司公司9MW气轮机气轮机6000rpm3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例S2M公司公司9MW气轮机气轮机6000rpm3.

11、3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例 IBAG公司的高速铣头公司的高速铣头, 7-40KW 40000-70000rpm（MECOS 配套电磁轴承）配套电磁轴承）3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例Levitronix 公司植入型人工心脏公司植入型人工心脏3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例清华大学磁轴承实验室清华大学磁轴承实验室过临界细长转子过临界细长转子3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例清华大学磁轴承实验室清华大学磁轴承实验室氦气鼓风机氦气鼓风机3. 3. 国内外技术应用案例国内外技

12、术应用案例应用案例应用案例清华大学磁轴承实验室清华大学磁轴承实验室高温堆氦气透平高温堆氦气透平3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例清华大学磁轴承实验室清华大学磁轴承实验室重载磁轴承试验台架重载磁轴承试验台架3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例应用案例应用案例3. 3. 国内外技术应用案例国内外技术应用案例4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路技术特点：技术特点： 磁轴承是典型的机电一体化系统，技术涵盖面广，综磁轴承是典型的机电一体化系统，技术涵盖面广，综合性强。合性强。关键技术：关键技术： 传感器、控制系统、转子动力学、辅助轴承、传感器、控

13、制系统、转子动力学、辅助轴承、 材料等材料等4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路 采用电涡流电涡流、电感电感、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。关键技术关键技术-高灵敏度传感器高灵敏度传感器关键技术关键技术-控制算法与控制器控制算法与控制器 PID控制算法和高速DSP控制。4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路 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。关键技术关键技术-高性能功率放大器高性能功率放大器4. 4.

14、技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路 CAD、CAE、FEA 转子动力学计算、分析转子动力学计算、分析 振动测试 系统辨识关键技术关键技术-转子动力学转子动力学4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路 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。关键技术关键技术-辅助轴承辅助轴承4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路 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。 工艺关键技术关键技术-线圈与铁磁材料线圈与铁磁材料4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化

15、思路国内外技术状况分析：国内外技术状况分析： 国际上：国际上：S2M为代表为代表 国内：清华大学、南京航空航天大学为代表国内：清华大学、南京航空航天大学为代表 4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路 70年代初从航天器应用研究项目起步，迅速成立公司，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。个领域的大量应用实践经验。 “量身定做量身定做”产品，价格高昂。产品，价格高昂。 无可靠性研究，标准化产品工艺欠缺。无可靠性研究，标准化产品工艺欠缺。 历经多次资产

16、重组，研发精力投入少。历经多次资产重组，研发精力投入少。4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路国际磁轴承技术国际磁轴承技术 从从80年代初发展至今，大部分功能性技术已经比较成年代初发展至今，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：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4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路 产业化技术上最大的欠缺：产业化技术上最大的欠缺：工艺工艺 和和 可靠性可靠性国内磁轴承技术国内磁轴承

17、技术4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路磁轴承未来可能的发展趋势：可靠、易用、价廉磁轴承未来可能的发展趋势：可靠、易用、价廉技术上：技术上：磁轴承成为标准件：专注于轴承及其关键技术磁轴承成为标准件：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）可靠性提升，只保留一个静态辅助支承（滑动）全数字控制，参数实时可调全数字控制，参数实时可调轴承和电机合为一体轴承和电机合为一体 （智能机电产品）（智能机电产品）4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思

18、路国内技术发展的一些局限：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市场：对市场需求了解的局限 地校合作、企校合作地校合作、企校合作 实现优势互补实现优势互补解决方案解决方案4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路合作产业化模式（初步思路）：合作产业化模式（初步思路）： 1、选择一个、选择一个示范性应用示范性应用应具备条件：有市场前景，适合使用磁轴承应具备条件：有市场前景，适合使用磁轴承 2、针对应用项目进行、针对应用项目进行共同开发共同开发完善工艺设计、提升性能完善工艺设计、提升性能形成完备技术文件、

19、设计规范形成完备技术文件、设计规范形成完整知识产权形成完整知识产权 3、共同建立、共同建立产业实体产业实体新产品、新技术的滚动新产品、新技术的滚动技术推广和技术咨询服务技术推广和技术咨询服务市场市场 4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路目标：目标： 用用23年时间，完成全部技术产业化的转化工作年时间，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形成初步的技术和服务市场 4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路产业化后的产业发展模式（初步思路）：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；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。市场开发，完善技术推广、技术咨询、售后等服务。 4. 4. 技术特点和产业化思路技术特点和产业化思路附属合作产物：附属合作产物： 1、高技术装备制造业的定向人才培养、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、依托清华大学的其它技术的深入研发与产业化合作谢谢！谢谢！