磁悬浮轴承行业研究

1磁悬浮轴承的原理

磁悬浮轴承是利用电磁力，将被支承件稳定悬浮在空间，使支承件与被支承件之间没有机械接触的一种高性能机电一体化轴承。利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。

磁悬浮轴承是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时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的位移变换成控制信号。

与传统的滚动轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。

磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。

这种轴承发展很快，特别在高速、低摩阻、高（低）温及真空环境下的应用。磁悬浮轴承与其他支承形式相比有其独特的优越性，符合产业升级换代的需求，非常有发展前景。

磁悬浮轴承是各种工业中高速应用的可持续性解决方案，主要具有坚固性、可制造性和以下重要性能：

一、节能且效率明显提高，功耗仅为接触类轴承的1/20~1/5；

二、无机械接触磨损、免润滑，节省维护费用；

三、低噪音、无污染；

四、易维护，内置检测和诊断功能，可实现设备实时状态监控，可以远程诊断，保证了系统的高性能和可靠性；

五、极高速：转速可高达十万转以上；

六、无振动，使用寿命更长。

2磁悬浮轴承的应用领域

磁悬浮轴承在很多领域有着广泛应用价值，早在2O世纪就将磁悬浮轴承应用于离心压缩机、分子涡流泵、汽轮发动机等大型设备上，也被应用于超高速超精密加工机床用的磁轴承主轴，在军事装备中也得到成功应用。

主要应用的设备和行业见下图：

下面通过磁悬浮鼓风机为例进一步了解磁悬浮轴承的构造：

磁悬浮鼓风机

主动式磁悬浮轴承系统是磁悬浮鼓风机的核心系统，电机转子固定于两个径向磁悬浮轴承与两个推力磁悬浮轴承之间，转子的位置由位置传感器进行检测，将位置信号实时反映给主控制器。当转子偏移时，主控制器会根据转子的偏移量调节磁轴承各自由度的磁场力，让转子回到正确位置。

磁悬浮鼓风机采用先进的磁悬浮轴承、三元流叶轮、高速永磁同步电机、高效变频器调速、智能化监测控制等核心技术，启动时先悬浮后旋转，无摩擦，无需润滑，叶轮与转子直联，传动零损失。与罗茨鼓风机比，节能30%—40%，噪音低至80分贝以下，广泛应用于污水处理、水泥、造纸、纺织、水产养殖、钢铁、食品、酿造、石化、热电等行业领域。

3主要厂商

3.1国内主要厂商

佛山格尼斯磁悬浮技术有限公司

四川中磁动力设备有限公司

湖南崇德工业科技有限公司

浙江飞旋科技有限公司（法人：洪申平，天津飞旋全资子公司）

浙江中达精密部件股份有限公司

上海轴汇机电设备有限公司

南京磁之汇电机有限公司

南京九舜磁悬浮科技有限公司

南京磁谷科技股份有限公司（科创板审核阶段）

山东瑞拓鼓风机有限公司（磁悬浮鼓风机）

山东天瑞重工有限公司

洛阳众悦精密轴承有限公司

北京清能创新科技有限公司

北京奇峰聚能科技有限公司

天津泰达科技发展集团

天津飞旋科技股份有限公司（法人：洪申平）

亿昇（天津）科技有限公司（国家级专精特新小巨人，天津飞旋全资子公司，生产磁悬浮鼓风机、压缩机、真空泵）

迈格钠磁动力股份有限公司（辽宁企业）

辽宁明德磁动力技术有限公司

赛特勒斯轴承科技（北京）有限公司（德国）

3.2国际主要厂商

德国赛特勒斯轴承制造有限公司

瑞典斯凯孚(skf)磁悬浮轴承公司

瑞士mecos

芬兰abs公司

日本电磁轴承公司

美国江森自控

4市场空间

磁悬浮轴承的应用前景无比广阔，不仅在通用机械领域，还有例如动力机械领域的汽轮机、燃气轮机，航空领域的航空发动机等，这些领域的市场规模，仅国内就有几百亿元甚至上千亿元之巨。随着磁悬浮轴承技术的日益成熟，有望逐步带领整个机电行业走向一个没有损耗、没有限速的崭新境界。

磁悬浮轴承关键技术以前多年被国外控制，现在国内增长迅速，~年国内利润总额风别为8.6亿、10.6亿、10.2、14亿元人民币，其中约92%的利润被大型企业获取（资料来源：中研普华产业研究院）。

应用场合

1.磁浮轴承和永磁高速电动机及发电机，包括带数字化控制和监测的电力电子装置，可专门用于高速商业和工业应用。

2.适用于轻型到重型旋转机械，其性能和可靠性高于其他机械、水力或气体轴承。

3.可变和高速永磁电动机的功率可达兆瓦，其能效高于其他类型驱动器（包括齿轮电机）。

5发展方向

从目前国内的磁悬浮轴承技术水平来看，虽然已经具备了应用在常温设备上的条件，但是仍然存在两方面的间题:一方面由于较难实现磁悬浮轴承转子的高精度控制，因而造成系统可靠性差以及故障率高;另一方面，欠缺标准化的产品工艺。

磁悬浮轴承将来有以下几个研究方向：

(1)超导磁悬浮轴承的研究。这种轴承的体积很小,却有很大的承载能力。这方面的研究进展在很大程度上依赖于超导材料的进展。高温超导陶瓷材料由于其固有的属性及具体加工技术的原因,实际应用十分有限,还需有很大的突破。

(2)无传感器磁悬浮轴承的研究。最近几年,结合磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果,诞生了一个全新的研究方向———无传感器的磁悬浮轴承(SensorlessMagneticBearing或Self2SensingMagneticBearing)。它不需要设计专门的位置传感器,而是通过测量电气回路内部信号来间接地获取转子的位置信息。

(3)新材料的研究。新材料的研究成功无疑将使磁悬浮轴承突破离心力、磁饱和、磁滞等特性的限制。近年来得到迅速发展的稀土永磁材料也因为结构轻巧、能耗低而极具应用前途。可以预计,这些新材料的推广普及将会有效地减小磁轴承的体积、能耗,而大大地提高了承载能力。

(4)高速控制器的研究。磁悬浮轴承主要用于高速设备,其控制器的高速运算速度是非常必需的,传统控制器已不能满足磁悬浮轴承高速运算的要求,采用数字信号处理器DSP作磁悬浮轴承控制器是一种发展方向,采用DSP作控制器有如下优点:容易实现较复杂的、运算量较大和控制算法,控制器参数容易修改;乘法和加法由硬件实现,运算速度非常快;控制脉冲频率大大提高,系统性能得到很好的改善;容易实现信号处理和滤波电路,减少外围电路。

(5)其他型式磁悬浮轴承的研究。磁悬浮轴承的形式可以多种多样,远不止目前的几种型式,有待进一步研究。