浅析磁悬浮支承技术在高性能机床中的应用

【摘要】阐述了在机床中应用的磁悬浮轴承特点、研究现状及应用领域。将磁悬浮支承技术用于电主轴中，电主轴可以在5000-8000r/min的转速下运行上万小时；将磁悬浮支承技术用于机床直线电机的进给平台中，与传统的机床导轨支承相比，磁悬浮支承具有无机械摩擦、无磨损、无爬行、无、可靠性提高、寿命延长等诸多特点。

【关键词】磁悬浮；支承；磁悬浮轴承；电主轴

1 磁悬浮支承技术的特点

随着现代机械向着高速发展，人们研究了磁悬浮支承技术，它是目前唯一投入实用的可以实现主动控制的现代支承技术，能够达到许多传统机械支承技术无法达到的技术指标，它具有下述特点。

1.可容许转子达到很高的转速。由磁悬浮支承的转子可以在超临界、每分钟数10万转的工况下运行，其圆周速度只受转子材料强度的限制。通常在相同的轴颈直径下，磁悬浮支承的转子能达到的转速比滚动轴承支承的转子大约高2倍，比滑动轴承支承的转子大约高3倍。

2.摩擦功耗小。在10000r/min 时，磁悬浮支承的功耗大约只有流体动压支承的6%，只有滚动支承的17%，这对节约能源有重大意义。首先，磁悬浮支承本身的能耗小，大大节约了能源；另外，磁悬浮轴承不用油，节约了石油资源。

3.维护成本低，寿命长。由于磁悬浮支承是靠磁场力来悬浮轴颈，相对运动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，所以磁悬浮轴承的寿命和可靠性均远高于传统类型轴承。

4.磁悬浮支承无需，因而不存在剂对环境的污染在真空、辐射和禁止剂介质污染的应用场合，如真空技术、超净无菌室以及腐蚀性或非常纯净的介质等，磁悬浮支承具有无可比拟的优势。在一般应用龊希由于省掉了油的存储、过滤、冷却、循环等设施，在价格和占有空间位置上，完全可以和滑动支承相竞争。

5.磁悬浮支承系统具有灵活的刚度和阻尼调整能力，能够安全地超越转子的临界转速。

2 磁悬浮支承技术在机床电主轴中的应用

电主轴是将电机内置于机床主轴内部、实现电机与主轴一体化功能的内装式电机主轴单元，它省去了皮带、齿轮、联轴节等中间传动和变速机构，具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点；由于它采用交流变频技术，可在额定转速范围内实现无级变速，以适应各种工况和负载变化的要求；利用电机矢量控制技术，它不仅可以满足强力切削时低速大扭矩的要求，还可以实现准确的C轴定位及传动的功能，适应对C轴功能要求的车削、镗铣等加工中心及其它数控机床的需要。因此，电主轴是机械加工中心和数控机床的关键部件，它广泛应用于数控车床、数控铣床、数控磨床、各种高速离心机、高速旋碾机、高速试验机等领域。在上述高速设备上应用的电主轴其关键技术是具有良好性能的轴承支承技术。

电主轴分为车削电主轴、铣床电主轴和磨削电主轴，另外还有组合机床使用的多功能电主轴等多种类型，其工作转速为：车削电主轴3000-15000r/min铣床电主轴5000-50000r/min；磨削电主轴8000-150000r/min；组合机床使用的多功能电主轴工作转速一般在数千转至数万转。

目前，在大多数电主轴中采用的轴承支承技术是传统的支承技术，如：滚动轴承、滑动轴承或气悬浮轴承等，但也有部分电主轴上已开始采用磁悬浮轴承技术。在采用传统支承技术的电主轴中，采用滚动轴承支承的铣床电主轴转速最高，在电机功率为95kw 时，可以达到约24000r/min 的转速。由于受到轴承内滚动体表面速度的限制，传统电主轴往往无法实现所希望的切削速度。采用最新的陶瓷轴承可以将最高转速提高20%-30%，但这种轴承的寿命最多也只有数千小时。如果采用磁悬浮轴承支承技术，电主轴可以在5000-80000r/min的转速下运行上万小时。1986年法国S2M 公司研制出第一台AMB 高速磨削设备，设计的高速磨床电主轴转速达60000r/min，1990年日本研制的超高速内圆磨磁悬浮电主轴，加工精度超过滚珠轴承，并具备在线监测能力，如监测研磨力、砂轮磨损等。

3 磁悬浮支承技术在机床直线电机进给平台中的应用

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过任何中间转换机构（如链条、齿条或丝杠等）的新型直线驱动装置。它是20世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理论的新技术，在的各个领域具有广阔的应用前景。

在现代制造业中，超高速超精密加工设备必须有超高精度的支承、定位和驱动系统。传统的“旋转电机-滚珠丝杠”的传动形式，已不适应现代制造业的要求。而直线电机直接驱动进给平台所具有的优点则恰恰可以弥补传统传动方式的不足，其速度是滚珠丝杆副的30倍，加速度是滚珠丝杆副的10倍，最大可达10g，刚度提高了7倍，定位精度和重复定位精度可达到微米级，甚至纳米级。

4 结语

随着磁悬浮支承技术的日益成熟和在工业上的应用，采用磁悬浮支承技术的直线导轨成为可能。磁悬浮直线导轨通过磁场力把进给平台浮起，直线电机则驱动平台运动。与传统的机床导轨相比，磁悬浮导轨具有无机械摩擦、无接触磨损和无需的优点。由于相对运动表面间没有接触，因而彻底消除了爬行现象，没有因磨损和接触疲劳所产生的精度下降和寿命问题，而电子元件的可靠性优于机械零件，使得其可靠性高于传统的导轨；而且省掉了静压导轨必需的庞大油路辅助设备，对环境不产生污染，并且其自身的加工精度要求比气体静压导轨低的多，降低了超洁净防尘条件；由于磁悬浮支承采用了主动控制，可提高机床的信息处理能力，如工况检测、预报和故障诊断。而且磁悬浮导轨具有工作温度范围大、维护简单、寿命长等优点。采用磁悬浮支承技术的机床电主轴和工作平台可以满足超高速超精密的加工要求，它是未来加工机床发展的趋势。

参考文献：

[1]徐龙祥.高速旋转机械轴系动力学设计[M].北京：国防工业出版社，1994.48-173

[2]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2002