分子泵用磁悬浮轴承
摘要：磁悬浮轴承以其无摩擦、不需润滑的特点，成为解决真空分子泵油污染、多角度安装等多种问题的最佳方案之一。真空分子泵的行业标准和工业需求，对磁悬浮轴承的设计提出了较高的要求。针对分子泵的特点，设计了5自由度主动控制的磁悬浮轴承，通过系统辨识获得了准确的系统模型，通过对系统模态的抑制，达到了良好的控制效果。经过实验测量，采用磁悬浮轴承支承的分子泵的性能完全达到了工业要求。
关键词：磁悬浮；磁轴承；分子泵
Magnetic bearing for molecular pump
Abstract: The magnetic bearing has been one of best solutions for molecular pumps to solve the problems of oil pollution and installation in any orientation since its contactless and oil-free properties. The industry standard and demands of molecular pumps require high design level of magnetic bearing. The magnetic bearings have achieved good performance by 5-axis active control, identifying accurate models and reducing vibration levels. The experiment results show molecular pumps with magnetic bearings completely meet the industry requirements
Key words: magnetic suspension, active magnetic bearing, molecular pump
0 引言
分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵[1]。其应用领域包括分析、半导体工业、光学、玻璃工业、涂层技术、真空冶炼、检漏技术、科研设备、照明用具行业等。为解决生产中传统分子泵润滑油蒸汽返流和滚珠轴承引起的振动问题，1976年德国LEYBOLD公司首先开发出了磁悬浮涡轮分子泵[2]。其径向采用永磁悬浮轴承，轴向采用电磁悬浮轴承，即单自由度主动控制，称为1轴磁悬浮分子泵。之后相继出现了3轴磁悬浮分子泵和5轴磁悬浮分子泵。目前工业生应用中5轴磁悬浮分子泵占有主流地位。除LEYBOLD公司外，德国PFEIFFER公司，法国ALCATEL公司，英国BOCEDWARDS公司，日本岛津公司等都有成熟的磁悬浮分子泵产品。目前，世界上有超过60000台的磁悬浮分子泵运行在工业现场。
为追赶与国外的技术差距，提高国内装备水平，开发自主知识产权的磁悬浮分子泵产品具有重要的产业和社会意义。
1 分子泵对磁悬浮轴承的要求
分子泵的转子需要高速旋转，因而要求磁悬浮轴承转子能够达到较高的转速，某些情况需要超临界运行。受材料和加工条件的限制，国产分子泵转子叶轮允许的最高转速一般在30000rpm以内。以CXF1800型分子泵为例，其额定转速为27000rpm，文中未作特殊说明均针对为此型号分子泵配套的FS450型磁悬浮轴承。
分子泵转子的高速旋转必然产生振动，这对于真空应用设备是有危害的，但是国家标准中并没有给出分子泵振动的定量指标[3],国内真空行业对泵体振动的要求一般为小于0.1um。
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磁悬浮球控制系统的仿真研究 王玲玲，王宏，梁勇 (海军航空工程学院，山东烟台 264000) 作者简介：王玲玲(1984—)，女，硕士，讲师，主要从事控制技术研究。 本文引用格式：王玲玲，王宏，梁勇.磁悬浮球控制系统的仿真研究[J].兵器装备工程学报，2017(4):122-126. Citation：format:WANG Ling-ling, WANG Hong, LIANG Yong.Simulation and Research of Magnetic Levitation Ball Control System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):122-126. 摘要：针对磁悬浮球系统的本质不稳定性，设计PID控制算法实现系统的稳定控制。建立磁悬浮球系统的动力学模型，并对其中的非线性部分进行平衡点处的线性化，采用根轨迹校正设计超前滞后控制器。最后采用PID控制设计，并使用根轨迹校正中零极点对系统性能影响的思想去调整PID参数，使系统的稳定性、动态性能和稳态性能满足要求。 关键词：磁悬浮球系统；PID；根轨迹法；校正 磁悬浮可以用于实现各种机械结构的高速、无摩擦运转，如高速磁悬浮列车、高速磁悬浮电机、磁悬浮轴承等。尽管磁悬浮的应用领域繁多，系统形式和结构各不相同，但究其本质都具有本质非线性、不确定性、开环不确定性等特征。这些特征增加了对其控制的难度，也正是由于磁悬浮的这些特性，使其更加具有研究价值和意义。本文针对磁悬浮球系统，研究其稳定控制，并使其性能指标满足要求。 1 磁悬浮球控制系统的基本原理 磁悬浮球控制系统主要由铁芯、线圈、光电源、位置传感器、放大及补偿装置、数字控制器和控制对象钢球等部件组成[1]，如图1所示。 当电磁铁上的线圈绕组通电时，位于磁场中的刚体受到电磁力的吸引作用。当产生的电磁力与球体的重力相等时，球体悬浮于空中，处于不稳定的平衡状态，当它受到外界扰动时，易失去平衡。因此，为了使系统稳定，就必须加上反馈环节，实现闭环控制，并设计控制算法，使稳定后的性能满足要求。
磁悬浮轴承 摘要 一种低能耗永磁偏置悬浮轴承系统，属磁悬浮轴承。包括定子支架1、外磁环2、内磁环5、轴套6、青铜瓦8、青铜瓦19，调整螺杆9、软铁10、轴承室11、端盖22，这种永磁偏置轴承结构简单，承载能力强，刚度大，悬浮力可调，安全可靠，对外磁干扰小，在旋转机械领域拥有广泛的应用前景。
权利要求书 1.一种径向支撑的永磁悬浮轴承装置，用于支撑转子轴7，其特征在于, 主要包括四自由度永磁偏置装置，单自由度磁阻轴承装置，永磁悬浮力调节装置，轴承保护装置以及磁屏蔽装置。包括定子支架1、外磁环2、内磁环5、轴套6、耐磨套8、耐磨套19、调整螺杆9、软铁10、轴承室11、端盖22。其中定子支架1嵌套于轴承室内，用于安装外磁环2以及可滑动软铁10，轴套6固定在转子轴7上，内磁环5安装于轴套6的滑道中，耐磨套19和耐磨套8分别套在轴套6的前后端,端盖22装在轴承室11的前端。 2.按权利要求1所述的四自由度永磁偏置装置，包括外磁环2、内磁环 5、定子支架1，其主要特征为：两磁环沿圆周的方向同心放置，外磁 环2与内磁环5充磁方向相反，即两磁环之间为斥力作用。 3.按权利要求2所述的外磁环2，其特征为：由若干块瓦片型磁铁组成， 磁铁固定在外支架上，不能移动，充磁方向为瓦片厚度方向，磁环下方产生的总磁场强度大于上方产生的总磁场强度。 4.按权利要求2所述的内磁环5，其特征为：由径向充磁的环形磁铁或 由大小形状完全相同的瓦片型磁铁拼合而成的圆环组成，如为瓦片型磁铁拼合而成，充磁方向为瓦片厚度方向，磁环产生的磁密在圆周上均匀分布。 5.按权利要求2所述的定子支架1，其特征为：材料为导磁性材料，结 构与异步电机定子铁心类似，为齿槽结构，支架上半部分齿长，与外磁环2厚度相同，下半部分齿短，依靠上齿对转子磁环的磁吸力来增大轴承系统的悬浮力。
磁悬浮轴承的发展现状及应用研究 一、磁悬浮技术概述 磁悬浮，亦作磁浮，是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”，从而使物件不受引力束缚自由浮动，具有无接触、无摩擦、低能耗、低噪声、无需润滑、维护费用低、使用寿命长、高精度以及自动化程度高等优点。磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学等为一体的机电一体化综合性较强的高新技术，其研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼〃肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1966年，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统，此后，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家为提高交通运输能力以适应经济发展需要加快筹划磁悬浮运输系统的开发。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展。至2012年世界上已有三种类型的磁悬浮，一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。第三种是中国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。 磁悬浮技术应用范围及其广泛，涉及工业、民用及军事各个领域，磁悬浮产品涵盖高速精密电主轴、磁悬浮飞轮电池、磁悬浮人工心脏泵，磁悬浮火车、卫星、远程导弹的制
导与姿态控制，军事通讯用的UPS，航空发动机的高速转子，潜艇的振动控制与传动噪音，坦克、装甲车的动力储能、磁悬浮冶炼、搬运技术等。当前，国内外对磁悬浮技术的研究热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车，而应用最广泛的是磁悬浮轴承。 二、磁悬浮轴承及其类型 磁悬浮轴承也称电磁轴承或磁力轴承，是利用磁场力将轴承无机械摩擦、无润滑的、悬浮在空间的一种新型高性能轴承，其作为一种新颖的支撑部件,是继油润滑、气润滑之后轴承行业的又一次革命性变化, 被誉为21世纪最有发展前景的高新技术之一。 磁悬浮轴承的原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线平行，转子的重量能够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，固定在特定运转轨道上。 按照磁力的提供方式，磁悬浮轴承可分为三大类 : （一）主动磁浮轴承 (Active Magnetic Bearing，简称 AMB)，轴承磁场是可控的，通过传感器检测转轴的位置，由控制系统对电磁铁电流进行主动控制来实现转轴的稳定悬浮。 （二）被动磁浮轴承 (Passive Magnetic Bearing，简称PMB)，轴承部分自由度由超导磁体或永磁体来实现被动悬浮支承。 （三）混合磁浮轴承 (Hybrid Magnetic Bearing，简称 HMB)，轴承的机械结构中既包含了可控的电磁铁，又包含了提供偏置磁场的超导磁体或永磁体。 同时，按磁场力的来源分类，可以分为永久磁铁型、电
磁力轴承简介 磁悬浮轴承又称磁力轴承，是目前世界上公认的高新技术之一。陆地上广泛采用的是主动控制磁悬浮轴承（简称主动磁轴承-AMB），它是利用可控磁场力提供无接触支承、使转子稳定悬浮于空间且其动力学性能可由控制系统调节的一种新型高性能轴承，是一种典型的机电一体化产品。其技术涉及到机械学、电磁学、电子学、材料学、转子动力学、控制理论和计算机科学等。由于磁力轴承具有无接触、无磨损、高速度、高精度、无需润滑和密封等一系列优良品质（能耗是传统机械轴承的5-20%，是空气静压轴承的10-20%；若用于机床，其切除量可提高3-6倍，进给速度提高5-10倍，切屑力降低30%），是本世纪最有发展前途的主导轴承之一。 一、发展历史简述 1972年，法国最早将磁力轴承用于通讯卫星的导向飞轮支承上。美国于1983年在航天飞机的实验室真空泵上采用了磁力轴承。1986年日本在H-1火箭进行的磁浮飞轮空间实验上获得了成功应用。 民用第一个产品是1983年，第五届欧洲机床展上，S2M公司展出了磁悬浮电主轴部件。 二、主要性能参数 目前，磁力轴承可达的技术指标范围至少为： 1）转速：（0~8）×105 r/min
2）直径14~600 mm 3）单个轴承承载力：（0.3~5）×104 N 4）使用温度范围：-253~450 °C 三、应用范围 根据国际上发表的文献统计，磁力轴承可推广应用的领域如下表（此外还可用于飞轮储能、减震器、尖端武器等）： 四、应用图解 典型的五自由度磁轴承-转子系统工作原理及其应用参见下页附图。
五、国内发展及应用现状 国内磁力轴承的发展及应用，整体还停留在实验室研究阶段，工业应用很少，水平要落后世界先进水平10-20年。但在某些方面的研究已经接近甚至达到世界先进水平。 国内在磁力轴承研究具有代表性的机构有清华大学和浙江大学（主要致力于磁轴承高频电主轴和阻尼器的研究）、上海交大和上海微电机研究所（惯性器件和仪器）、西安交大（磁力轴承力学特性研究）、哈工大和广州机床研究所（卫星姿态控制飞轮和机床主轴）等数十家。 六、磁力轴承产品图 可购买《磁力轴承研究进展》
磁悬浮轴承稳定性分析 磁悬浮轴承（Magnetic Bearing）是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。与传统的滚珠轴承，滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子的转速可以运行到很高，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。这项技术是20世纪60年代中期在国际上开始研究的一项新的支撑技术。在各个领域都有着广泛的应用。本文主要分析磁悬浮轴承的稳定性问题。文章的第一部分介绍了磁悬浮轴承在国际和国内的发展与研究现状，并分析了磁悬浮轴承的一些特点。文章的第二部分对磁悬浮轴承的稳定性进行了讨论，先论证了永磁轴承无法实现自稳定，然后对电磁轴承的稳定性进行了分析。 关键词：磁悬浮，轴承，电磁轴承，永磁轴承，稳定性 第一章引言 第一节磁悬浮轴承的研究背景 国际上很早就有了利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想, 但其实现却经历了很长的一段时间。1842 年, Earnshow 证明: 单靠永磁体不能将一个铁磁体在所有 6 个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态.真正意义上的磁悬浮研究开始于20世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究，1937 年, Kenper 申请了第一个磁悬浮技术专利, 他认为，要使铁磁体实现稳定的磁悬浮, 必须根据物体的悬浮状态不断的调节磁场力的大小,因此必须采用可控电磁铁,这也是以后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。 随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展, 20世纪 60 年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。日本、英国、德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。资料记载: 1969 年, 法国军部科研实验室(LRBA ) 开始对磁悬浮轴承的研究; 1972 年,第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上, 从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。此后, 磁悬浮轴承很快被应用到了国防、航天等各个领域。1983年11月，美国在搭载在航天飞机上的欧洲空间试验仓里采用了磁悬浮轴承真空
动,有力地推动了纳米电磁致动器的发展。毫无疑问,在某些场合它仍有很大的应用价值。然而,其 位移精度是众多因素(如驱动力和作用时间等)共同作用的结果,任何一个因素的不利变化都会导致位移精度下降。特别是在大驱动力和变载荷情况下,上述影响就更为显著,成为其进一步发展的严重障碍。 本文介绍的电磁-压电组合式纳米致动器,最大的优点就是成功地将位移精度与驱动力分开处理,使其在大驱动力、变载荷和高稳定性纳米驱动方面具有明显的优势。初步的研究已揭示出该组合式纳米致动器具有良好的前景,进一步的研究工作正在进行之中。有理由相信,在不久的将来会有更多更好的纳米组合式致动器出现。 参考文献: [1] 姚健,尤政.21世纪的科技前沿——纳米技术.中国 机械工程,1995,6(3):14～16 [2] 杨辉,吴明根.现代超精密加工技术,航空精密制造 技术,1997,33(1):1～8 [3] 江小宁,周兆英,李勇等.微驱动技术.中国仪器仪 表,1993(2):10～12,14 [4] W AN G W an jun ,L lene Bu sch -V ishn ial .A H igh P recisi on M icropo sitoner Based on M agneto stric 2ti on p rinci p le ,R ev .Sci .In strum ,1992,63(1): 249～254 [5] Douglas P E Sm ith ,Sco tt A E lrod .M agnetically driven m icropo siti oners .R ev .Sci .In strum .,1985,56(10):1970～1971 [6] D avydov D N ,D eltou r R ,Ho rii N .C ryogen ic Scan 2 n ing T unnelingM icro scopeW ith a M agnetic Coarse A pp roach ,R ev .Sci .In strum ,1993,64(11):3153～3156 [7] 颜国正,赵国光,余承业.微小型任意行程电磁冲击 式纳米级步距驱动装置及其控制技术的研究.仪器仪表学报,1996,17(4):391～396 [8] B lackfo rd B L ,Jericho M H .A H amm er -A cti on M icropo siti oner fo r Scann ing P robe M icro scopes .R ev .Sci .In strum ,1997,68(1):133～135(编辑 华 恒) 作者简介:杨圣,男,1962年生。中国科学技术大学(合肥市 230026)九系副教授、博士。研究方向为精密仪器与精密工程。获 北京市科技进步三等奖1项。参编教材1部,发表论文20余篇。刘东伟,男,1978年生。南京航空航天大学(南京市210016)机电工程学院硕士研究生。 文章编号:1004-132 (2001)11-1319-04 动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术 曾 励 副教授 曾 励 陈 飞 宋爱平 黄民双 摘要:提出一种新型的机电一体化产品——具有电机功能的动力磁悬浮 轴承,阐述了它的研究现状和工作原理,分析了它的应用特点,并介绍了动力磁悬浮轴承理论研究的关键技术。 关键词:动力磁悬浮轴承;旋转偏磁磁通;旋转控制磁通;旋转机械;无轴 承电机 中图分类号:TH 703.3;TM 32 文献标识码:A 1 动力磁悬浮轴承的提出及特点 实现旋转机械高速、大负荷运转的关键是支承转子的轴承和驱动电机的性能。采用传统的支承及驱动方式,必须对支承转子及驱动电机的各机械轴承进行油雾或油液润滑,需要有经验和技术的人员进行调整,而且非常麻烦。这种支承驱动 收稿日期:1999—10—26 基金项目:江苏省教育基金资助项目(00KJB 460009) 方式,轴向尺寸过大,可靠性差,而且由于共振频 率低,无法得到高速和超高速的转动。如果能研制出一种具有电机功能的动力磁悬浮轴承,就可以将旋转机械的驱动电机去掉,由动力磁悬浮轴承支承转子并直接驱动其转动,使结构小型化,并真正实现高速、大负荷运转。 动力磁悬浮轴承(pow er m agnetic bearing ,P -M B )在原理上是以普通的磁悬浮轴承为基础,使其电磁铁提供的磁场不仅要产生支承转子的径向力,而且还要产生驱动转子的扭矩,是集电动机 ? 9131?动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术——曾 励 陈 飞 宋爱平等
摘要 一、磁悬浮鼓风机简介及特点 1. 磁悬浮鼓风机简介 磁悬浮离心鼓风机（magnetic levitation blower）是采用磁悬浮轴承的透平设备的一种。其主要结构是鼓风机叶轮直接安装在点击轴延伸端上，而转子被垂直悬浮于主动式磁性轴承控制器上。不需要增速器及联轴器，实现由高速电机直接驱动，由变频器来调速的单机高速离心鼓风机。该类风机采用一体化设计，其高速电机、变频器、磁性轴承控制系统和配有微处理器控制盘等均采用一体设计和集成。其核心是磁悬浮轴承和永磁电机技术。结构示意图如下
2. 磁悬浮鼓风机主要技术特点 （1）节能高效：采用磁悬浮轴承，无接触损失和机械损失，实现了高转速无极变转速调节，使得风机运行效率可高达84.5%。 （2）噪音低，安装方便：由于采用整体箱式结构，风机噪音在80dB以下，机体震动极小，无需做安装基础。 （3）系统集成性高：进口过滤器、冷却系统、全自动防喘震系统、停电和故障保护系统等，用户无需采购其它部件。实时显示的中文触摸屏，为操作工人带来方便及减少操作事故的发生。 （4）冷却效率高：冷却系统采用风冷和水冷结合的方式，能够有效保护电机，可实现风机的随时启停。 （5）远程控制：采用了PLC+GPRS。不但可由中心控制室控制，若风机出现故障，还可以实施远程维修调试。 二、磁悬浮鼓风机主要生产企业及同类产品对比 1. 国外主要制造企业 （1）德国Piller Power Systems GmbH公司：主要生产用于下列领域的风机：通用设备制造、化学工业工业焚烧炉、电站/钢铁工业、排蒸汽压缩机、石化工业、污水处理工业、标准产品系列等。 （2）芬兰艾伯斯集团(简称ABS)：ABS集团是全球污水解决方案供应商，能够提供泵、搅拌器、搅拌机、曝气系统、鼓风机、控制和监视系统以及服务等完整的水处理设备的业务组合。ABS 的HST 高速磁悬浮离心鼓风机是其曝气鼓风机，主要用于污水处理厂和工业低压工艺。性能范围：流量700-10,000m3/h；升压范围：40-125 kPa； （3）日本川崎：川崎HST高速磁悬浮离心鼓风机由上海清泰公司代理。其高速磁悬浮鼓风机有：2500、6000、9000三个系列；性能范围：流量：800-10600 m3/h；升压范围：40-130 kPa；。 2. 国内主要制造企业 南京磁谷科技有限公司，是南京市和江苏省民营科技型企业，获得过省市和国家的产学研创新项目支持。该公司依托南京航空航天大学磁悬浮应用技术研究所的科研力量与863计划的科研成果，主要从事磁悬浮轴承技术的研究、开发、应用、推广及其产业化。主要产品有磁悬浮轴承技术的相关设备、试验仪器。2009年，南京磁谷自主研发的国内首台磁悬浮离心鼓风机在污水处理厂成功连续运行。其主要参数见下表
磁悬浮轴承发展及应用 概述 ： 磁浮轴承是利用磁力实现无接触的新型轴承，具有无接触、不需要润滑和密封、振动小、使用寿命长、维护费用低等一系列优良品质，属于高技术领域。轴承是机电工业的基础产业之一，其性能的好坏直接影响到机电产品（如超高速超精密加工机床）的科技含量及其在国际上的竞争力。本项目不仅要可以在国内建立生产磁浮轴承的高技术企业，填补国内在这方面的空白，而且可以带动机电行业的很多相关企业进行产品结构调整，形成新的经济增长点。此外，本项目具有重要的国防应用价值，可为我国研制以磁轴承支承的新一代航空发动机储备先进的科学技术。 磁浮轴承的基本原理 磁浮轴承从原理上可分为两种，一种是主动磁浮轴承（active magnetic bearing），简称AMB；另一种是被动磁浮轴承（passive magnetic bearing），简称PMB。由于前者具有较好的性能，它在工业上得到了越来越广泛的应用。这里介绍的是主动磁浮轴承。 磁浮轴承系统主要由被悬浮物体、传感器、控制器和执行器四大部分组成。其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。下图是一个简单的磁浮轴承系统，电磁铁绕组上的电流为I，它对被悬浮物体产生的吸力和被悬浮物体本身的重力mg相平衡，被悬浮物体处于悬浮的平衡位置，这个位置也称为参考位置。假设在参考位置上，被悬浮物体受到一个向下的扰动，它就会偏离其参考位置向下运动，此时传感器检测出被悬浮物体偏离其参考位置的位移，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器使流过电磁绕组上的电流变大，因此，电磁铁的吸力也变大了，从而驱动被悬浮物体返回到原来的平衡位置。如果被悬浮物体受到一个相上的扰动并向上运动，此时控制器和功率放大器使流过电磁场铁绕组上的电流变小，因此，电磁铁的吸力也变小了，被悬浮物体也能返回到原来的平衡位置。因此，不论被悬浮物体受到向上或向下的扰动，下图中的球状被悬浮物体始终能处于稳定的平衡状态。
分子泵用磁悬浮轴承 摘要：磁悬浮轴承以其无摩擦、不需润滑的特点，成为解决真空分子泵油污染、多角度安装等多种问题的最佳方案之一。真空分子泵的行业标准和工业需求，对磁悬浮轴承的设计提出了较高的要求。针对分子泵的特点，设计了5自由度主动控制的磁悬浮轴承，通过系统辨识获得了准确的系统模型，通过对系统模态的抑制，达到了良好的控制效果。经过实验测量，采用磁悬浮轴承支承的分子泵的性能完全达到了工业要求。 关键词：磁悬浮；磁轴承；分子泵 Magnetic bearing for molecular pump Abstract: The magnetic bearing has been one of best solutions for molecular pumps to solve the problems of oil pollution and installation in any orientation since its contactless and oil-free properties. The industry standard and demands of molecular pumps require high design level of magnetic bearing. The magnetic bearings have achieved good performance by 5-axis active control, identifying accurate models and reducing vibration levels. The experiment results show molecular pumps with magnetic bearings completely meet the industry requirements Key words: magnetic suspension, active magnetic bearing, molecular pump 0 引言 分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵[1]。其应用领域包括分析、半导体工业、光学、玻璃工业、涂层技术、真空冶炼、检漏技术、科研设备、照明用具行业等。为解决生产中传统分子泵润滑油蒸汽返流和滚珠轴承引起的振动问题，1976年德国LEYBOLD公司首先开发出了磁悬浮涡轮分子泵[2]。其径向采用永磁悬浮轴承，轴向采用电磁悬浮轴承，即单自由度主动控制，称为1轴磁悬浮分子泵。之后相继出现了3轴磁悬浮分子泵和5轴磁悬浮分子泵。目前工业生应用中5轴磁悬浮分子泵占有主流地位。除LEYBOLD公司外，德国PFEIFFER公司，法国ALCATEL公司，英国BOCEDWARDS公司，日本岛津公司等都有成熟的磁悬浮分子泵产品。目前，世界上有超过60000台的磁悬浮分子泵运行在工业现场。 为追赶与国外的技术差距，提高国内装备水平，开发自主知识产权的磁悬浮分子泵产品具有重要的产业和社会意义。 1 分子泵对磁悬浮轴承的要求 分子泵的转子需要高速旋转，因而要求磁悬浮轴承转子能够达到较高的转速，某些情况需要超临界运行。受材料和加工条件的限制，国产分子泵转子叶轮允许的最高转速一般在30000rpm以内。以CXF1800型分子泵为例，其额定转速为27000rpm，文中未作特殊说明均针对为此型号分子泵配套的FS450型磁悬浮轴承。 分子泵转子的高速旋转必然产生振动，这对于真空应用设备是有危害的，但是国家标准中并没有给出分子泵振动的定量指标[3],国内真空行业对泵体振动的要求一般为小于0.1um。 1
磁悬浮轴承 3分（内容丰富） 编辑词条 摘要 磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 是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。与传统的滚珠轴承、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。这项技术并没有得到欧美国家的认可。 编辑摘要 目录-[ 隐藏 ] 1.1概述 2.2工作原理 编辑本段|回到顶部概述 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的 设想由来已久, 但实现起来并不容易。早在 1842 年, Ea rn show 就证明: 单靠永久磁体是 不能将一个铁磁体在所有 6 个自由度上都保
持在自由稳定的悬浮状态的.然而, 真正意义 上的磁悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相 吸原理的悬浮车辆研究开始的。 1937 年, Kenp er 申请了第一个磁悬浮 技术专利, 他认为要使铁磁体实现稳定的磁 悬浮, 必须根据物体的悬浮状态不断的调节 磁场力的大小, 即采用可控电磁铁才能实现, 这一思想成为以后开展磁悬浮列车和磁悬浮 轴承研究的主导思想。伴随着现代控制理论 和电子技术的飞跃发展, 本世纪 60 年代中期 对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。英 国、日本、德国都相继开展了对磁悬浮列车的 研究。磁悬浮轴承的研究是磁悬浮技术发展 并向应用方向转化的一个重要实例。据有关 资料记载: 1969 年, 法国军部科研实验室 (L RBA ) 开始对磁悬浮轴承的研究; 1972 年, 将第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑 上, 从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。此 后, 磁悬浮轴承很快被应用到国防、航天等各 个领域。美国在 1983 年 11 月搭载于航天飞 机上的欧洲空间试验仓里采用了磁悬浮轴承 真空泵; 日本将磁悬浮轴承列为 80 年代新的 加工技术之一, 1984 年, S2M 公司与日本精 工电子工业公司联合成立了日本电磁轴承公 司, 在日本生产、销售涡轮分子泵和机床电磁 主轴等。经过 30 多年的发展, 磁悬浮轴承在 国外的应用场合进一步扩大, 从应用角度看, 在高速旋转和相关高精度的应用场合磁悬浮 轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究 的主流。 编辑本段|回到顶部工作原理 磁悬浮轴承是一个复杂的机电耦合系 统。在早期的研究过程中, 它由机械系统和 控
磁悬浮轴承的优点及原理 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 1基本原理 从原理上磁悬浮轴承可以分为两种,一种是主动型磁悬浮轴承;另一种是被动型磁悬浮轴承。因为前者具有良好的控制性能,所以它越来越广泛地应用在工业上。主动型磁悬浮轴承基本原理如下图所示,通过传感器检测出转子的位移信号,将该信号送人控制器,控制器按照设定的控制策略处理后经功率放大器产生控制电流,驱动电磁铁线圈产生相应的电磁力,实现转子悬浮。 图主动型磁悬浮轴承系统原理图 2磁悬浮轴承的优点 与传统的机械轴承相比,磁悬浮轴承具有以下与传统的机械轴承相比,磁悬浮轴承具有以下优点：
(1)无接触、无磨损、无润滑:磁悬浮轴承工作时,处于悬浮状态,相对运动表面之间无接触,不产生机械摩擦和接触疲劳,解决了机组部件损耗和更换问题。同时省掉了润滑系统等一系列装置,即节省了空间又不存在前述装置对环境的污染问题。 (2)低振动、低噪声、低功耗:磁悬浮轴承转子避免了传统轴承在运行时的接触碰撞弓丨起的大幅振动以及高分贝噪声,提高了稳定性,降低了维护费用,延长了其使用寿命,同时悬浮磁悬浮轴承的低功耗,仅是传统机械轴承功耗的6%~25%。在转速为 10000r/min时,其功耗只有机械轴承的15%左。 (3)高转速、高精度、高可靠性:允许转子高速旋转,其转速主要受材料强度的限制,可以在超临界,每分钟数十万转的工况下工作,而且转子的回转精度已经达到微米级甚至更高,这是普通机械轴承远远达不到的转速和精度,而且电子元器件的可靠性在很大程度上高于传统的机械零部件。 (4)可控性、可在线工况监测、可测试诊断:我们可以对磁悬浮轴承的静态和动态性能进行在线控制。事实上,其本身系统就实现了集工况监测、故障诊断和在线调节的一体化。 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.
涡轮分子泵的优缺点
1、优点 由于涡轮分子泵在某些方面，要比低温泵、离子泵和扩散泵表现得更优越。故在一般情况下，多选用涡轮分子泵。它的优点有：(1)清洁，无油蒸汽返流 涡轮分子泵可不用任何阱，按操作规程工作，就能为被抽容器提供一个极为清洁的真空环境，且不含有任何碳氢化合物。由于现代的涡轮分子泵除大泵外很少用油润滑的了，对于小泵多用油脂润滑，也有用空气轴承的，但磁悬浮轴承用得较多。近几年来也有不少干式前级泵出现，使涡轮分子泵系统不存在油蒸汽返流，使它真正成为一种清洁的干式高真空泵（如图4）。 极限压力为2 10-7 Pa 图4 涡轮分子泵典型的残余气体的频谱图 图4 表明涡轮分子泵系统中不含有碳氢化合物，曲线上17 和18 为OH+ 和H2O+。 (2)使用方便 在许多应用中，涡轮分子泵可不用高真空阀门或粗真空阀。只是简单地一按电钮，泵便能开始工作。从大气压力可降至极限压力。这种系统可以通过涡轮分子泵进行粗抽，可一直加速到工作速度为止。这样就可以不用阀门、管道、阱、阀门控制器等真空元件。同时也消除了这些元件所带来的故障。因此涡轮分子泵系统所占的空间小，而且涡轮分子泵的安装方向不受限制，可在任意方向安装（用油润滑的泵除外，它只能在垂直 5 范围内工作）。
这个特点，可用于安装位置受限制的地方。 (3)气体输送能力强 大多数涡轮分子泵对于输送轻气体（如氢、氦）的能力很强。因而它非常适于超高真空下的工艺操作。对于那些富氢的工艺过程，氦质谱检漏仪等场合均可得到应用。有专门设计用于抽除腐蚀性气体的涡轮分子泵，适用于刻蚀、反应离子刻蚀，离子束加工，低压化学气相沉积，外延及离子注入等工艺操作。在这些工艺过程中，抽除的气体会对低温泵、离子泵、扩散泵油等有腐蚀作用。甚至也会破坏标准的未加保护的涡轮分子泵。由于涡轮分子泵属于传输型泵，被抽气体可穿膛而过，不在泵内积存。因而它适于气体负荷高的工艺过程。如溅射、刻蚀等。 (4)适于超高真空应用 一台密封和除气良好的涡轮分子泵，配以性能良好的双级旋片泵（或同样性能的干式前级泵），其极限真空一般可达到10- 9～10- 10Torr（即133.3～13.33 nPa）之间。若一台涡轮分子泵再串一台涡轮分子泵，用金属密封并除气良好的泵，一般其极限压力在1 10- 10～1 10-11 Torr （即13.33～1.333 nPa）之间。而且不像低温泵或离子泵那样，涡轮分子泵在超高真空条件下能满抽速运转。这些性能再加上它有良好的清洁性（测不到碳氢化合物），显然用户会选择涡轮分子泵用于高分辨率质谱仪，分子束外延设备及超高真空分析仪器等设备上的。 (5)高压力下性能良好
分子泵起源 ?分子真空泵是在1911 年由德国人盖德 (w · Gaede) 首先发明的，这种分子泵是在 分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。通常把用高速运动的刚体表面携带气体分子，并使其按一定方向运动的现象称为分子牵引现象。因此，人们将盖德发明的分子泵称为牵引分子泵。
牵引分子泵的优点是起动时间短，在分子流态下有很高的压缩比，能抽除各种气体和蒸汽，特别适于抽除较重的气体。但同于它自身的弱点：抽速小，密封间隙太小，工作可靠性较差，易出机械故障等，因此除特殊需要外，实际上很少应用。
分子泵抽气原理 ?分子泵输送气体应满足二个必要条件：1). 分子泵必须在分子流状态下工作。
?因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时，其中气体分子的平均自由程则随之增加。在常压下空气分子的平均自由程只有0.06 μm ，即平均看一个气体分子只要在空间运动0.06 μm ，就可能与第二个气体分子相碰。而在1.3Pa 时，分子间平均自由程可达4.4mm 。在分子流范围内，气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时，气体分子就会较多地射向转子和定子叶片，为形成气体分子的定向运动打下基础。
?2). 分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。分子泵的转速越高，对提高分子泵的抽速越有利。实践表明，对不同分子量的气体分子其速度越大，泵抽除越困难。
磁悬浮轴承
摘要 磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 是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。与传统的滚珠轴承、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。这项技术并没有得到欧美国家的认可。 目录 1 磁悬浮轴承概述 2 磁悬浮轴承工作原理 1 磁悬浮轴承概述 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久, 但实现起来并不容易。早在1842 年, Ea rn show 就证明: 单靠永久磁体是不能将一个铁磁体在所有 6 个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的.然而, 真正意义上的磁悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆 研究开始的。 1937 年, Kenp er 申请了第一个磁悬浮技术专利, 他认为要使铁磁体实现稳定的磁悬浮, 必须根据物体的悬浮状态不断的调 节磁场力的大小, 即采用可控电磁铁才能实现,这一思想成为以后开展磁 悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。伴随着现代控制理论和电子技 术的飞跃发展, 本世纪 60 年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新 台阶。英国、日本、德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。磁悬浮 轴承的研究是磁悬浮技术发展并向应用方向转化的一个重要实例。据有 关资料记载: 1969 年, 法国军部科研实验室(L RBA ) 开始 对磁悬浮轴承的研究; 1972 年,将第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的 支撑上, 从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。此后, 磁悬浮轴承很快被
磁悬浮轴承技术 摘要：磁悬浮轴承是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。与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁悬浮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。 关键词：磁悬浮轴承；发展历史；原理；分类；特点；应用 The technology of Magnetic Bearing Abstract:Magnetic bearings is to use the magnetic force of the rotor is suspended in the air, the rotor and the stator without mechanical contact. With conventional ball bearings, sliding bearings and oil film bearings, magnetic bearings there is no mechanical contact with the rotor can run to a high speed, with the mechanical wear, low energy consumption, low noise, long life, no lubrication, no oil pollution, etc., especially suitable for high-speed, vacuum, clean and other special environments. Keywords:Magnetic bearings；History；classification; characteristic; application 1 引言 磁悬浮轴承也称电池轴承或磁力轴承，是 新一代的非接触支撑部件，已广泛地应用于空 间技术、机械加工、机器人等众多领域，其实 物体外形如图1所示。它利用磁场力将轴杆无 机械摩擦、无润滑的悬浮在空间中，是磁悬浮 原理在动力机械邻域中的一个典型应用案例。 磁悬浮轴承具有传统轴承无法比拟的许多优 越性能，如容许转子达到很高的转速，轴承功 耗小，转子与定子之间可实现无摩擦的相对运 动，维护成本低，寿命长等。 图1：磁悬浮轴承 2 磁悬浮轴承的发展历史 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来己久,但实现起来并不容易。早在1842年,Earnshow就证明[1]：单靠永久磁体是不能将一个铁磁体在所有6个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的。然而,真正意义上的磁悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究开始的。 1937年,德国Kenper即申请了第一个磁悬浮技术专利,他认为要使铁磁体实现稳定的 （1） 磁悬浮,必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小,即采用可控电磁铁才能实现,这一思想成为之后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。同一时期,美国大学的
磁悬浮轴承的原理 王养丽 (西安武警工程学院物理教研室,西安三桥 710086) (收稿日期:2000-02-16;修回日期:2000-05-15) 摘 要 本文介绍国内外磁悬浮轴承技术的发展历史现状,以及它的物理原理. 关键词 磁悬浮轴承;电磁力;基本原理 THE PRINCIPLE OF MAGNETIC SUSPENSION BEARING Wang YangLi (Engin eering College of Armed Police Force,Xi'an.710086) Abstract T his paper intro duces the physical pr inciple and the development and research status of m agnetic suspensio n bearing. Key Words magnetic suspersio n bearing;electr omagnetic force;principle 磁悬浮轴承也称电磁轴承或磁力轴承,是利用磁场力将轴承无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型高性能轴承。由于它具有一系列独特的优点,近年来对其研究颇为重视。又因为磁悬浮轴承技术涉及多个领域,多项技术的交织在其中表现突出,研究和开发利用的难度较大,对其研究力度正在进一步加强。 1 磁悬浮轴承概述 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久,但实现起来并不容易。早在1842年,Ear nsho w就证明:单靠永久磁体是不能将一个铁磁体在所有6个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的。然而,真正意义上的磁悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究开始的。 1937年,Kenper申请了第一个磁悬浮技术专利,他认为要使铁磁体实现稳定的磁悬浮,必须根据物体的悬浮状态不断的调节磁场力的大小,即采用可控电磁铁才能实现,这一思想成为以后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展,本世纪60年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。英国、日本、德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。磁悬浮轴承的研究是磁悬浮技术发展并向应用方向转化的一个重要实例。据有关资料记载:1969年,法国军部科研实验室(LRBA)开始对磁悬浮轴承的研究;1972年,将第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑 35 工科物理 Vol.10 No.3 2000
分子泵起源 ?分子真空泵是在 1911 年由德国人盖德(w · Gaede) 首先发明的，这种分子泵是在分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。通常把用高速运动的刚体表面携带气体分子，并使其按一定方向运动的现象称为分子牵引现象。因此，人们将盖德发明的分子泵称为牵引分子泵。
牵引分子泵的优点是起动时间短，在分子流态下有很高的压缩比，能抽除各种气体和蒸汽，特别适于抽除较重的气体。但同于它自身的弱点：抽速小，密封间隙太小，工作可靠性较差，易出机械故障等，因此除特殊需要外，实际上很少应用。
分子泵抽气原理 ?分子泵输送气体应满足二个必要条件： 1). 分子泵必须在分子流状态下工作。
?因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时，其中气体分子的平均自由程则随之增加。在常压下空气分子的平均自由程只有 0.06 μm ，即平均看一个气体分子只要在空间运动 0.06 μm ，就可能与第二个气体分子相碰。而在 1.3Pa 时，分子间平均自由程可达 4.4mm 。在分子流范围内，气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时，气体分子就会较多地射向转子和定子叶片，为形成气体分子的定向运动打下基础。
?2). 分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。分子泵的转速越高，对提高分子泵的抽速越有利。实践表明，对不同分子量的气体分子其速度越大，泵抽除越困难。