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磁悬浮支承技术的发展历史

摘要:磁悬浮支承是一种新型的支承技术,磁悬浮轴承、磁悬浮列车都是磁悬浮支承技术在工业中的实际应用。由于无摩擦、无需润滑、精度高等无可比拟的优点,对它的研究日益广泛和深入,尤其是在高速机械加工的高档数控机床中,高速主轴和快速进给系统是实现高速加工的俩项关键技术,如何利用磁悬浮支承技术来提高加工速度和精度,是有待解决的关键问题。


磁悬浮支承技术是国际上上世纪六十年代中期开始研究的一项新的支承技术,它标志着对传统支承技术的革命,对其研究的历史最早可以追溯到很久以前。


人类从自然界的电闪雷鸣和天然磁石上开始注意到电磁现象。中国在1086年以前就发明了指南针,这是人类最早利用磁技术的产品。1820年丹麦物理学家H.C奥斯特发现电流的磁感应现象,法国的J.B.毕奥和F.萨伐尔得出了直流电流元的磁力规律,D.F.阿拉戈发明了电磁铁,1825年英国人P.巴洛、W.斯特金制作的电磁铁其吸持力为其自重(200g)的20倍。然而,利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想一直是人类的一个古老的梦,但实现起来并不容易。


1842年恩休(Earnshow)证明了单靠永久磁铁本身是不能使一个磁铁体在空间所有6个自由度上都保持在自由、稳定的悬浮位置上的。为了使铁磁体实现稳定的磁悬浮,必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小,即采用可控电磁铁才能实现。这一设想由肯珀(Kemper)在1937年申请了第一个磁悬浮技术的专利,并构成了之后开展的磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。1938年肯珀采用一个可控电磁铁对一个重量为210kgf的物体成功地实现了稳定磁悬浮。在同一时期内,费吉尼亚(Virginia)大学的比姆斯(Beams)采用电磁悬浮技术悬浮小钢球并通过钢球的高速旋转时能承受的离心力来测定实验材料的强度,所达到的旋转速度高达1.8107rpm(300kHZ),这可能是世界上采用电磁悬浮技术支承旋转物体最早的应用实例。


稳定磁悬浮的实现是对传统支承技术的革命,它作为一种新的支承形式,其优良的性能和广阔的应用的前景引起了众多学者和工程技术人员的浓厚兴趣,伴随着现代控制理论和电子技术的飞速发展,国际上从上世纪六十年代中期开始对磁悬浮技术的研究进入了一个全新的时期,在英国、日本和德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究,德国的MBB公司早在1977年研制的磁悬浮列车KOMET在其实验轨道上所达到的时速高达360km/h。在航天方面,法国于1972年成功地研制出了世界上第一套完整的电磁悬浮系统并用于通讯卫星导向飞轮的支承上。


美国在1983年11月搭载于航天飞机上的欧洲空间实验舱采用了电磁轴承真空泵。日本在1986年6月用H-1火箭进行的磁悬浮飞轮的空间实验也获得了满意的效果。在民用工业方面,1976年法国SEP公司和SKF公司联合成立了S2M公司,发展成为世界上最大的电磁轴承生产销售商,专门开发航天和工业应用的各种电磁轴承。1983年S2M公司在第五届欧洲机床展览会上展示了电磁轴承电主轴部件。随后在1984年S2M公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本电磁轴承公司,在日本生产、销售涡轮分子泵和机床电磁轴承主轴等,同年日本另一家NTN东洋公司也推出了高速电磁轴承铣削头。在学术研究方面,从1988年至今相继召开了九届国际磁轴承会议,从已发表的文献资料可以看出,其研究内容涉及到电磁学、电子学、控制理论、机械学、转子动力学、材料学和计算机科学等学科。而在工业应用方面,磁悬浮轴承不仅应用于宇航部门、核工业部门,而且已迅速应用到军事部门和基础工业部门的数百种不同的旋转或往返运动机械上,如斯特林制冷机(红外夜视)、热汽机(潜艇)、斯特林热泵、高速磨床、高速铣床、高速车床、高速电动机、离心机、透平压缩机、真空泵等,所达到的技术指标范围为:(1)转速:08105rpm;(2)直径:14600mm;(3)单个轴承承载力:0.35104N;(4)使用范围:-253C450C;(5)刚度:105108N/m。


这说明将磁悬浮轴承已作为比较成熟的工业产品推向了用户市场。