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磁懸浮軸承的發(fā)展歷史

近年來(lái)，隨著磁懸浮相關(guān)電磁學(xué)、電子學(xué)、控制理論、機(jī)械學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，磁懸浮相關(guān)產(chǎn)品、應(yīng)用不斷擴(kuò)大，可以說(shuō)是進(jìn)入爆發(fā)期。以超級(jí)高鐵為例，就多種技術(shù)路線，有日本的低溫超導(dǎo)（如MLX01、L0等磁懸浮列車(chē)），中國(guó)的高溫超導(dǎo)（如西南交通大學(xué)研究的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)系統(tǒng)“Super-Maglev”），德國(guó)的電磁力（TR01—TR09系列磁懸浮列車(chē)等），以及馬斯克的真空高鐵計(jì)劃（Hyperloop系統(tǒng)）等。磁懸浮已經(jīng)成為一種能夠直接或間接帶動(dòng)大量相關(guān)產(chǎn)業(yè)的底層創(chuàng)新。

“磁懸浮軸承是一種利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)軸及載荷無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)潤(rùn)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(xiàng)新的現(xiàn)代支承技術(shù)，發(fā)展情況我們簡(jiǎn)單做個(gè)梳理。

一、發(fā)展歷史

1842年，英國(guó)劍橋大學(xué)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(gè)永久磁鐵支承而在六個(gè)自由度上都保持自由、穩(wěn)定的懸浮，必須至少有一個(gè)自由度被機(jī)械或其他約束所消除。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的研究及其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，1937年，肯珀(Kemper)申請(qǐng)了一項(xiàng)有關(guān)懸浮支承的專(zhuān)利，其構(gòu)成了之后開(kāi)展的磁懸浮列車(chē)和磁懸浮軸承研究的主導(dǎo)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(gè)可控電磁鐵，對(duì)一個(gè)重量為2 100 N的物體成功實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定磁懸浮，這就是磁懸浮列車(chē)的雛形。在同一時(shí)期內(nèi)，美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的比姆斯（Beams）和霍姆斯(Holmes)采用電磁懸浮技術(shù)懸浮小鋼球，通過(guò)鋼球高速旋轉(zhuǎn)時(shí)能承受的離心力來(lái)測(cè)定試驗(yàn)材料的強(qiáng)度，所達(dá)到的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)1.8x106 r/min，這可能是世界上采用磁懸浮技術(shù)支承旋轉(zhuǎn)物體最早的應(yīng)用實(shí)例。

伴隨著現(xiàn)代控制理論和電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，從20世紀(jì)60年代初，國(guó)際上磁懸浮軸承在空間技術(shù)中最先開(kāi)展應(yīng)用。美國(guó)德雷伯實(shí)驗(yàn)室首先在空間制導(dǎo)和慣性輪上成功地使用了磁懸浮軸承。1969 年，法國(guó)軍部科研實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始對(duì)磁懸浮軸承進(jìn)行研究，并在1972年，將第一個(gè)磁懸浮軸承用于衛(wèi)星導(dǎo)向輪的支承上。20世紀(jì)60年代后，美國(guó)、日本、法國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)家紛紛開(kāi)始進(jìn)行主動(dòng)磁浮軸承的研究工作，這一時(shí)期的工作為以后的實(shí)踐打下理論基礎(chǔ)。

20世紀(jì)70年代后，隨著大規(guī)模集成電路、新型永磁材料的出現(xiàn)和科技發(fā)展的迫切需要，磁懸浮技術(shù)迅速發(fā)展，并在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中各種高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械包括各類(lèi)機(jī)床、渦輪分子泵、高速離心機(jī)、渦輪發(fā)電機(jī)、液氦泵等。1977 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并制造了一種用于宇宙飛船動(dòng)量或能量?jī)?chǔ)存飛輪的磁懸浮軸承。1976年，法國(guó)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(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，首次推出B20/500磁浮主軸系統(tǒng)，并在35 000 r/min下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆、銑削表演，該公司還在1983年的第5屆歐洲機(jī)床展覽會(huì)上展出了系列磁浮軸承和其支承的機(jī)床主軸部件。1983年，美國(guó)航天飛機(jī)的歐洲空間艙內(nèi)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(jìn)行了磁懸浮飛輪的空間試驗(yàn)。1994 年，Meeks 等人為航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了兩代航空用的磁懸浮軸承，轉(zhuǎn)速達(dá)到了24 000r/min，軸承環(huán)境溫度達(dá)到了420 ℃左右。1997 年前后，美國(guó)德雷伯實(shí)驗(yàn)室又報(bào)道了一系列有關(guān)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)，研制的高溫磁懸浮軸承在單軸發(fā)動(dòng)機(jī)的模型轉(zhuǎn)子上成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

二、國(guó)內(nèi)研究情況

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始研究磁浮軸承技術(shù)。1980年清華大學(xué)開(kāi)始對(duì)磁浮軸承的穩(wěn)定性進(jìn)行研究；1981年上海微機(jī)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(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對(duì)“磁力軸承的開(kāi)發(fā)及其在FMS中的應(yīng)用”這一課題進(jìn)行了研究。目前在國(guó)內(nèi)許多科研院校，如清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、江蘇大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、山東大學(xué)等都在開(kāi)展磁懸浮軸承方面的研究。其中，清華大學(xué)主要進(jìn)行磁懸浮軸承在高溫氣冷堆中的應(yīng)用、磁懸浮儲(chǔ)能飛輪、磁懸浮高頻電主軸和柔性轉(zhuǎn)子控制器等方面的研究；武漢理工大學(xué)研究了磁懸浮高速硬盤(pán)的關(guān)鍵技術(shù)；上海大學(xué)主要進(jìn)行磁懸浮高速電主軸及智能磁懸浮軸承的研究；國(guó)防科技大學(xué)側(cè)重于磁懸浮儲(chǔ)能飛輪的研究；浙江大學(xué)主要進(jìn)行主動(dòng)磁懸浮軸承控制、轉(zhuǎn)子在軸承失效后墜落過(guò)程中的瞬態(tài)響應(yīng)和高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承等方面的研究；山東大學(xué)主要針對(duì)電主軸用磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)、控制及傳感器進(jìn)行研究，還針對(duì)軸流式人工心臟泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究；南京航空航天大學(xué)的研究重點(diǎn)是磁懸浮高速電機(jī)和磁懸浮軸承在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用等；北京航空航天大學(xué)主要進(jìn)行磁懸浮飛輪用磁懸浮軸承的研究，西安交通大學(xué)主要針對(duì)高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承、主動(dòng)磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制器和動(dòng)力學(xué)特性等進(jìn)行研究；江蘇大學(xué)主要針對(duì)電主軸用交流磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)及控制進(jìn)行研究，并且對(duì)人工心臟泵用的永磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)進(jìn)行探討。

國(guó)內(nèi)高校的研究和企業(yè)的結(jié)合，目前在風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)、壓縮機(jī)等設(shè)備實(shí)際應(yīng)用中取得了重大突破，但是與國(guó)際相比，在高端應(yīng)用（高性能機(jī)床、儲(chǔ)能飛輪等）市場(chǎng)還有差距，工藝和可靠性問(wèn)題仍待進(jìn)一步加強(qiáng)。

三、學(xué)術(shù)交流

在國(guó)內(nèi)磁懸浮軸承學(xué)術(shù)交流方面，為促進(jìn)國(guó)內(nèi)磁懸浮軸承研究者之間交流與學(xué)習(xí)，從2005 年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)每?jī)赡暾匍_(kāi)一次中國(guó)磁懸浮軸承學(xué)術(shù)會(huì)議。2007 年，在清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)學(xué)院與第二屆中國(guó)磁懸浮軸承學(xué)術(shù)會(huì)議籌備委員會(huì)的努力下，成立了磁懸浮與氣懸浮技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，該委員會(huì)的成立為加速我國(guó)磁懸浮與氣懸浮技術(shù)的學(xué)術(shù)研究及工程應(yīng)用起到推動(dòng)作用。2021年，“第九屆中國(guó)磁懸浮技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議”將于2021年7月20-23日在四川省成都市舉行。本次會(huì)議由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)全國(guó)磁懸浮技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主辦，西南交通大學(xué)承辦。　　

在工業(yè)應(yīng)用方面，磁懸浮軸承不僅應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，而且已迅速應(yīng)用到基礎(chǔ)工業(yè)部門(mén)的數(shù)百種不同的旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械上，如熱汽機(jī)、熱泵、高速磨床、高速銑床、高速車(chē)床、高速電動(dòng)機(jī)、離心機(jī)、透平壓縮機(jī)、真空泵等，所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)范圍為：

1）轉(zhuǎn)速：(0～8) ×10⁵r/min；

2）直徑：14～600 mm；

3）單個(gè)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(chǎng)份額

根據(jù)Ken Research 2018年發(fā)布的“2017-2023年全球磁懸浮軸承市場(chǎng)分析與預(yù)測(cè)”來(lái)看，預(yù)計(jì)全球磁懸浮軸承市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 4.14%。預(yù)計(jì)到 2023 年，全球磁懸浮軸承市場(chǎng)將達(dá)到 81.817 億美元。

按類(lèi)型劃分，2017年主動(dòng)磁鐵軸承細(xì)分市場(chǎng)占最大市場(chǎng)，市場(chǎng)份額為 33.889 億美元，在預(yù)測(cè)期內(nèi)以 4.48% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率發(fā)展。

從應(yīng)用來(lái)看，2017年渦輪機(jī)細(xì)分市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，市場(chǎng)份額為17.653億美元，預(yù)計(jì)將以4.93%的復(fù)合年增長(zhǎng)率發(fā)展。

從應(yīng)用速度來(lái)看，2017年最高50 000 r/min萬(wàn)轉(zhuǎn)細(xì)分市場(chǎng)的市場(chǎng)規(guī)模最大，市場(chǎng)份額36.537億美元，預(yù)計(jì)將以4.33%的復(fù)合年增長(zhǎng)率發(fā)展。

按終端用戶計(jì)算，電力板塊占最大市場(chǎng)份額24.743億美元，預(yù)計(jì)將以4.54%的復(fù)合年增長(zhǎng)率發(fā)展。

從地域上看，亞太地區(qū)預(yù)計(jì)將在全球磁懸浮軸承市場(chǎng)中占據(jù)最大的市場(chǎng)份額，約為 35.18%。

參考文獻(xiàn)：

[1]張維煜，朱熀秋，袁野.磁懸浮軸承應(yīng)用發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015,30（12）：12-20.

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

[3]全國(guó)磁懸浮技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì). http://www.china-amb.org/.

（來(lái)源：軸承雜志社）