磁懸浮軸承的發(fā)展歷史

1842年，英國劍橋大學(xué)的恩休(Eamshaw) 提出了磁懸浮概念，并證明了鐵磁體不可能僅由另一個(gè)永久磁鐵支承而在六個(gè)自由度上都保持自由、穩定的懸浮，必須至少有一個(gè)自由度被機械或其他約束所消除。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀的研究及其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，1937年，肯珀(Kemper)申請了一項有關(guān)懸浮支承的專(zhuān)利，其構成了之后開(kāi)展的磁懸浮列車(chē)和磁懸浮軸承研究的主導思想。1938年肯珀采用電感式傳感器和電子管放大器做了一個(gè)可控電磁鐵，對一個(gè)重量為2 100 N的物體成功實(shí)現了穩定磁懸浮，這就是磁懸浮列車(chē)的雛形。在同一時(shí)期內，美國弗吉尼亞大學(xué)的比姆斯（Beams）和霍姆斯(Holmes)采用電磁懸浮技術(shù)懸浮小鋼球，通過(guò)鋼球高速旋轉時(shí)能承受的離心力來(lái)測定試驗材料的強度，所達到的旋轉速度高達1.8x106 r/min，這可能是世界上采用磁懸浮技術(shù)支承旋轉物體最早的應用實(shí)例。

伴隨著(zhù)現代控制理論和電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，從20世紀60年代初，國際上磁懸浮軸承在空間技術(shù)中最先開(kāi)展應用。美國德雷伯實(shí)驗室首先在空間制導和慣性輪上成功地使用了磁懸浮軸承。1969 年，法國軍部科研實(shí)驗室開(kāi)始對磁懸浮軸承進(jìn)行研究，并在1972年，將第一個(gè)磁懸浮軸承用于衛星導向輪的支承上。20世紀60年代后，美國、日本、法國、前蘇聯(lián)等國家紛紛開(kāi)始進(jìn)行主動(dòng)磁浮軸承的研究工作，這一時(shí)期的工作為以后的實(shí)踐打下理論基礎。

20世紀70年代后，隨著(zhù)大規模集成電路、新型永磁材料的出現和科技發(fā)展的迫切需要，磁懸浮技術(shù)迅速發(fā)展，并在許多領(lǐng)域得到應用，如機械工業(yè)領(lǐng)域中各種高速旋轉機械包括各類(lèi)機床、渦輪分子泵、高速離心機、渦輪發(fā)電機、液氦泵等。1977 年，美國麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗室設計并制造了一種用于宇宙飛船動(dòng)量或能量?jì)Υ骘w輪的磁懸浮軸承。1976年，法國SEP公司和瑞典SKF軸承公司共同投資建立的S2M公司，在1981年的Hanover歐洲國際機床展覽會(huì )上，首次推出B20/500磁浮主軸系統，并在35 000 r/min下進(jìn)行了現場(chǎng)鉆、銑削表演，該公司還在1983年的第5屆歐洲機床展覽會(huì )上展出了系列磁浮軸承和其支承的機床主軸部件。1983年，美國航天飛機的歐洲空間艙內安裝了采用磁懸浮軸承的真空泵。1986 年，日本在H-1型火箭上進(jìn)行了磁懸浮飛輪的空間試驗。1994 年，Meeks 等人為航空發(fā)動(dòng)機設計了兩代航空用的磁懸浮軸承，轉速達到了24 000r/min，軸承環(huán)境溫度達到了420 ℃左右。1997 年前后，美國德雷伯實(shí)驗室又報道了一系列有關(guān)航空發(fā)動(dòng)機用的高溫磁懸浮軸承研究成果，成功地研制了能夠在510 ℃高溫下工作的磁懸浮軸承系統，研制的高溫磁懸浮軸承在單軸發(fā)動(dòng)機的模型轉子上成功地進(jìn)行了實(shí)驗。

國內從20世紀80年代初開(kāi)始研究磁浮軸承技術(shù)。1980年清華大學(xué)開(kāi)始對磁浮軸承的穩定性進(jìn)行研究；1981年上海微機電研究所研制了用于徑向、軸向主軸的磁浮軸承：1986年廣州機床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對“磁力軸承的開(kāi)發(fā)及其在FMS中的應用”這一課題進(jìn)行了研究。目前在國內許多科研院校，如清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、江蘇大學(xué)、國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、山東大學(xué)等都在開(kāi)展磁懸浮軸承方面的研究。其中，清華大學(xué)主要進(jìn)行磁懸浮軸承在高溫氣冷堆中的應用、磁懸浮儲能飛輪、磁懸浮高頻電主軸和柔性轉子控制器等方面的研究；武漢理工大學(xué)研究了磁懸浮高速硬盤(pán)的關(guān)鍵技術(shù)；上海大學(xué)主要進(jìn)行磁懸浮高速電主軸及智能磁懸浮軸承的研究；國防科技大學(xué)側重于磁懸浮儲能飛輪的研究；浙江大學(xué)主要進(jìn)行主動(dòng)磁懸浮軸承控制、轉子在軸承失效后墜落過(guò)程中的瞬態(tài)響應和高溫超導磁懸浮軸承等方面的研究；山東大學(xué)主要針對電主軸用磁懸浮軸承的結構、控制及傳感器進(jìn)行研究，還針對軸流式人工心臟泵系統設計進(jìn)行了研究；南京航空航天大學(xué)的研究重點(diǎn)是磁懸浮高速電機和磁懸浮軸承在航空發(fā)動(dòng)機中的應用等；北京航空航天大學(xué)主要進(jìn)行磁懸浮飛輪用磁懸浮軸承的研究，西安交通大學(xué)主要針對高溫超導磁懸浮軸承、主動(dòng)磁懸浮軸承的結構設計、控制器和動(dòng)力學(xué)特性等進(jìn)行研究；江蘇大學(xué)主要針對電主軸用交流磁懸浮軸承的結構及控制進(jìn)行研究，并且對人工心臟泵用的永磁懸浮軸承的結構及性質(zhì)進(jìn)行探討。

國內高校的研究和企業(yè)的結合，目前在風(fēng)機、泵類(lèi)、壓縮機等設備實(shí)際應用中取得了重大突破，但是與國際相比，在高端應用（高性能機床、儲能飛輪等）市場(chǎng)還有差距，工藝和可靠性問(wèn)題仍待進(jìn)一步加強。