中国电源学会编辑工作委员会

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磁悬浮轴承--电力电子在高速旋转机械领域的应用

电动机想必大家都有所了解，转子“呼呼呼”旋转，带动工业的发展。在工业和国防领域，旋转机械是最重要的动力来源。无论是重工业中飞机发动机、船舶螺旋桨推进、汽车高铁的动力系统，还是生活里中央空调的压缩机，这些装置中都能看到旋转机械的身影。而在旋转机械中，轴承是一个非常关键的部件，它对旋转机械中的转子起到支撑作用。如果没有轴承，转子是无法在一固定位置自由旋转的。

轴承在工业和国防的重要性无可替代。在第二次世界大战中，德军迅猛的闪电战术依靠的大量战斗机与坦克，都离不开各类旋转机械中的滚珠轴承。英美盟军为遏制德军，采用了大规模空袭的方法，对施韦因富特的德国滚珠轴承厂进行打击，造成了德军装备轴承的严重短缺，直接影响了德军的作战能力，对战局带来了重要的影响。

目前工业界最广泛应用的是轴承类型是滚珠轴承。采用低摩擦的滚珠实现接触式支承。此外，滚珠轴承还需要加入润滑油进一步减少摩擦。但随着转速的提升，伴随着摩擦力的增加，这种接触式支承的方法在高速会遇到很多麻烦。另外在很多应用场合，为保证环境洁净度，润滑油被禁止使用。

相信大家可能有了些想法，既然接触式轴承存在的摩擦难以消减，那就尽量使用不接触的轴承呗。就是按照这样的想法，另外两种机械轴承被发明出来。一种就是箔片轴承（Foil Bearing），旋转中箔片与转轴中形成膜，可以脱离接触。另一种是气浮轴承，在轴承中通入压缩气体。当转子旋转到一定转速也可以实现与定子脱离接触。这两种方法相比于传统接触式的滚珠轴承具有高速运行条件下摩擦小的优点。但是一般都只适用于高速，且工艺也较为复杂，目前主要使用在特殊应用场景。

与上述机械轴承不同，近年来发展起来的磁悬浮轴承采用可控电磁力实现对转子的无接触支承，可以适应从静止到高速的宽转速范围应用，且具有不加润滑油、无接触摩擦等优点。因此，磁悬浮轴承成为各类高端装备中旋转机械支承的新一代“领衔主演”。

下方左图展示了一个典型的磁悬浮轴承的实物，本质就是一个电磁机构，通过产生可控的电磁力来实现悬浮。磁悬浮轴承的原理结构图如下方右图所示，主要结构包括控制器、传感器、功率放大器（驱动器）、绕组等。高端的装置，但其原理并不复杂。磁悬浮轴承的基本原理高中物理知识就能解释：每一轴的方向上，两侧绕组通过电流产生电磁力均能吸引转子。在一定的平衡状态下，两侧电磁力正好与这一轴的其他力平衡，转子在这一位置就能保持悬浮，而与定子没有接触了。