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磁力轴承力与位移系数测定

摘要：磁力轴承是利用电磁力使转子稳定悬浮起来且轴心位置可以由控制系

统控制的一种新型轴承,是集机械学、力学、控制工程、电磁学、电子学和计算

机科学于一体的具有代表性的机电一体化产品。因为其无摩擦磨损、无需润滑、

转速高、寿命长等优点和广阔的应用前景引起了国内外工程界和学术界的广泛关

注。磁力轴承广泛用于机械加工，交通，能源，化工，军事及航空航天等诸多领

域，其动态特性系数直接影响磁力轴承的设计性能。因此准确辨识其动力特性系

数对于研究磁力轴承，甚至磁悬浮转子系统的动力学特性有着重要的实际意义。

本文介绍了磁悬浮盘片系统，并通过实验辨识了了磁悬浮盘片力与位移的系数。

关键词：磁悬浮；力；位移

1、引言

现代制造技术正朝着高速化、精密化和模块化方向发展，制造业对加工设备

的性能提出了越来越高的要求，如高档数控机床、光刻机等，往往需要快速和高

精度的运动。因此，高性能、高精度电主轴和超精密工作台显得尤为重要。而对

另一些工作在极端高温或低温环境下的军工、航空航天领域的旋转机械来说，除

了要求能够承受严酷的环境考验之外，对于转子支承的可控性、安全性及可靠性

有严格要求。综合来讲，主要表现在：高速、高精度、可控性、可靠性、高效率

以及对复杂恶劣环境的适应性等方面。磁悬浮支承技术作为一种新型的支承技

术，具有传统支承技术无法比拟的优点:无接触、无摩擦、无污染，有广泛的应

用空间和研究价值。磁悬浮支承技术可以应用于需要支承的各行各业，特别是在

交通、机床、航空航天等领域具有广泛的应用。现在，国外已有相关应用的报道，

而国内在应用研究方面虽然做了很多努力，但在实际应用方面，则基本还处于空

白状态。因此，加大这方面研究的投资力度(人力和物力)，掌握自主的先进技术，

以期赶上并超过那些先进的国家，已是当务之急。

磁悬浮技术是利用磁场力将物体悬浮于空间，使其与其它物体没有直接机

械接触的一种新型支承技术。它通过传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为

控制器的微处理器将检测到的位移量变换成控制信号，然后功率放大器将这一控

制信号放大，转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力从而使被控对象

维持其悬浮位置不变。磁悬浮是一系列技术的通称，它包括借助磁力的方法悬浮、

导引、驱动和控制等。磁悬浮的主要方式分为电磁吸引悬浮，电磁斥力悬浮，感

应斥力悬浮，基本原理是利用磁体的排斥与吸引、电磁感应效应。目前磁悬浮技

术的大规模应用主要集中在磁悬浮列车和磁悬浮轴承上。虽然磁力轴承在安全

性、可靠性、能耗以及最优设计等方面取得了令人满意的结果，但仍需努力对磁

力轴承支承的磁悬浮转子系统进行研究，以期尽快实用化、产业化。特别对如下

一些问题，如磁悬浮支承特性、磁悬浮转子动态特性、动平衡以及对刚性和柔性

转子的控制等工作，进行更深入的研究和认识。

2、国内外磁悬浮力与电流系数测定的研究

2.1国外力与电流系数测定研究

2010年为了改善轴流式磁悬浮血泵的性能，美国马克-欧乐研究了利用三维

有限元分析软件来优化混合磁力轴承的设计，并对力与位移的系数进行了辨识。

日本在1996年通过研究了永磁轴承电机的特点，建立了磁力轴承的数学模

型，并用以测量径向力和电流、电压之间的关系。

2007年，美国弗吉尼亚大学设计出一种多点测量（Themutli-pointMethod）

对磁力轴承支承特性进行实验研究，研究发现多点测量比单点测量力与电流对应

更高。

(a)单点测量(b)多点测量

通过实验数据表明，磁力轴承在多点测量中，电磁力的相对误差要比单点测

量得出的电磁力相对误差要小得许多。

2.2国内力与电流系数测定的研究

(1)2005年，武汉理工大学用两种实验方法测定径向磁力轴承差动控制时力

与电流系数。

方法一：首先使磁悬浮转子稳定悬浮，转子静止，即转速为零，在加载处逐

渐增加祛码，并保持工作气隙不变，测量并记录相应电流的增量，实验原理框图

如图所示，运用最小二乘法对实验结果进行计算得力与电流系数。

砝码前轴承后轴承

方法二：在磁悬浮转子稳定悬浮时，假设重力在y方向并垂直向下，则有以

下等式成立：

从式知，方程左边为力与电流系数，而转子的实际重量可以称出，平衡转子

重量的电