負壓風機機殼電磁懸浮軸承的發展及在鼓風機上的應用繼電保護多媒

摘 要： 闡述了電磁軸承的基本原理及該種軸承的發展，對國內國外電磁軸承的技術研究和應用水平做了詳細的比較，調研了電磁軸承在鼓風機上的應用情況，尤其結合企業的實際情況，得出電磁懸浮軸承完全具備應用在鼓風機、壓縮機上的結論。

關鍵詞： 電磁懸浮軸承；透平式鼓風機；應用

中圖分類號： TH133.3 　　　文獻標識碼： B

文章編號： 1006 - 8155 （ 2008 ） 02-0070-04

Development of Magnetic Fl oating Bearing and Its Application Prospect for Blowers

Abstract: The paper specifies the basic principle of magnetic bearing and its developing prospect. The technology research and application between domestic and overseas magnetic bearings are compared in detail. The research on the application of magnetic bearing on blowers is carried out combining with the actual condition of enterprises. Then the conclusion that magnetic fl oating bearing can totally apply on blowers and compressors is summarized.

Key words: magnetic fl oating bearing; turbine blower; application

0 　引言

　　電磁懸浮軸承是利用磁力實現無接觸的新型軸承，具有無接觸、不需要潤滑和密封、振動小、使用壽命長、維護費用低等一系列優點，屬于高技術領域。磁浮軸承的研制不僅可以填補國內空白，而且可以帶動機電行業的很多相關企業進行產品結構調整，形成新的經濟增長點。此外，電磁懸浮軸承的研制具有重要的國防應用價值，可為我國研制以磁軸承支承的新一代航空發動機儲備先進的科學技術。

　　電磁懸浮軸承是典型的機械電子學產品， 機械電子學是融機械工程、電氣工程、計算機科學于一體的跨學科工程領域。

1 　電磁懸浮軸承產生的背景

　　電磁懸浮軸承技術的發展是由于現代工業對新一代支承技術的需求推動的。隨著現代工業的發展，對旋轉機械提出了各種越來越苛刻的性能要求。在能源化工機械中，要求轉子的旋轉速度和精度越來越高、轉子和定子之間的間隙越小越好以追求更高的效率。而對另一些工作在極端高溫或低溫環境下的軍工、航空航天領域的旋轉機械來說，除了要求能夠承受嚴酷的環境考驗之外，對于支承的可控性、安全及可靠性的考慮往往是第一位的。

　　與其他機械相比，旋轉機械的最大特點在于：轉子運動始終被約束在間隙比較小的空間內。這種間隙比，對于傳統的油潤滑軸承來說，大致在 1/1000 ～ 5/1000 范圍內。由于轉子在運行中所受到的各種激勵作用，這種小間隙約束是很容易遭到破壞的，這也是支承之所以成為制約高性能旋轉機械進一步發展的關鍵技術的原因 [1] 。

　　對于新一代支承技術性能指標的要求為（ 1 ）高轉速：從每分鐘數十轉到數十萬轉；（ 2 ）高精度：要求支承具有良好的動態性能。例如：轉子的動態振幅要求控制在一定的范圍內；（ 3 ）可控性；（ 4 ）對于各種嚴酷環境的適應性；（ 5 ）可靠性。

　　迄今為止，能夠同時滿足上述要求，可投入實際工程應用的支承技術當首推主動控制的電磁軸承。

2 　電磁懸浮軸承的基本原理

2.1 基本原理

　　磁浮軸承從原理上可分為兩種，一種是主動磁浮軸承（ active magnetic bearing ），簡稱 AMB ；另一種是被動磁浮軸承（ passive magnetic bearing ），簡稱 PMB 。由于前者具有較好的性能，它在工業上得到了越來越廣泛的應用。

　　磁浮軸承工程主要由被懸浮物體、傳感器、控制器和執行器四大部分組成 , 見圖 1 。其中執行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。圖 1 是一個簡單的磁浮軸承工程，電磁鐵繞組上的電流為 I ，它對被懸浮物體產生的吸力和被懸浮物體本身的重力（ mg ）相平衡，被懸浮物體處于懸浮的平衡位置，這個位置也稱為參考位置。假設在參考位置上，被懸浮物體受到一個向下的擾動，它就會偏離其參考位置向下運動，此時傳感器檢測出被懸浮物體偏離其參考位置的位移，控制器將這一位移信號變換成控制信號，功率放大器使流過電磁繞組上的電流變大，因此，電磁鐵的吸力也變大，從而驅動被懸浮物體返回到原來的平衡位置。如果被懸浮物體受到一個向上的擾動并向上運動，此時控制器和功率放大器使流過電磁鐵繞組上的電流變小，因此，電磁鐵的吸力也變小，被懸浮物體也能返回到原來的平衡位置 [2] 。

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　　懸浮工程的剛度、阻尼以及穩定性由控制規律決定。剛度和阻尼可在物理極限范圍內廣泛地變動，亦可根據技術要求進行調節，甚至可以在運行過程中加以改變。

2.2 　電磁懸浮軸承的優點

　　電磁懸浮軸承擁有許多傳統軸承所不具備的優點。

　　(1) 可以達到較高的轉速：理論上講，電磁懸浮軸承支承的轉子最高轉速只受到轉子材料的限制。通常，在相同的軸頸直徑下，電磁懸浮軸承所達到的轉速比滾動軸承大約高5倍，比流體動壓滑動軸承大約高2.5倍。

　　(2) 摩擦功耗較小：曾對一臺壓縮機采用不同支承時的功耗做過比較，在10000r/min時，其功耗大約只有流體動壓滑動軸承的10% ～ 20%。

　　(3) 壽命長、可靠性高：由于電磁懸浮軸承依靠磁場力懸浮轉子，因此在相對運動表面之間不接觸，沒有磨損和接觸疲勞所帶來的壽命問題。電子元器件的可靠性大大高于機械零部件，所以電磁懸浮軸承的壽命和可靠性均高于傳統軸承。

　　(4) 無需潤滑 ： 電磁懸浮軸承不存在潤滑劑對環境所造成的污染問題，省去了潤滑油的存儲、過濾、加溫、冷卻及循環等成套設備。因此從整體上講，電磁懸浮軸承在價格和空間上完全可以和常規軸承技術相競爭。

　　(5) 適應性好：對極端高溫、極端低溫運行環境都具有很好的適應性。

　　(6) 可控性 ： 電磁懸浮軸承的靜態及動態性能都是在線可控的。

　　(7) 可測試、可診斷、可在線工況監測： 事實上，電磁軸承懸浮本身就是集工況監測、故障診斷和在線調節于一體的。

2.3　 電磁懸浮軸承的斷電保護

　　在電磁懸浮軸承中，保護軸承占有十分重要的地位。保護軸承亦稱為應急軸承。在工程發生故障時，對轉子的應急保護主要由保護軸承來提供。在電磁懸浮軸承突然斷電后，高速旋轉的轉子迅即進入自由落體狀態，繼而與保護軸承內壁發生沖擊、碰撞和摩擦。在轉子著陸過程中，轉子動能逐漸轉化為摩擦熱，如果這些熱量不能順利地發散，將導致轉子的熱變形和電磁懸浮軸承損壞，因此對保護軸承以及轉子在著陸過程中的沖擊動力學研究同樣十分必要。

3　 電磁懸浮軸承的國內外現狀

3.1 國外現狀

　　西方國家已有十幾家電磁懸浮軸承的新公司誕生，幾十家已有的公司在生產與電磁懸浮軸承有關的產品，并且有公司開始將產品向中國市場推進，在磁軸承技術領域，國外的領先公司主要有 S2M 公司和瑞士的 Mecos 公司。

　　S2M 公司認為電磁懸浮軸承在壓縮機上應用的方向越來越明確，在壓縮機領域內電驅動裝置的重要性日益增強，用 于天 然氣處理的各個階段的透平機均可使用電磁懸浮軸承。在天然氣領域可以應用電磁懸浮軸承的透平機械包括：用 于天 然氣處理的透平膨脹機；用 于天 然氣輸送的壓縮機；用 于天 然氣儲存的壓縮機；用于發電的透平機；用于乙烯生產的膨脹透平機等 。

　　有理由相信，未來磁浮軸承在數量上和型號上的應用將不斷增長，因為機械運轉的速度、負荷、溫度、無油的實現，電磁懸浮軸承是最好的解決之道。 S2M 公司已經在 250 多臺大型透平機械上安裝了電磁懸浮軸承。

　　Mecos 公司是世界數字控制主動磁軸承的一流供應商，具有 17 年的磁軸承設計歷史。其產品主要包括：透平鼓風機，透平增壓泵、透平發電機、透平分子泵上的主動磁浮軸承。具體的技術指標如下：

　　透平鼓風機類的CO2空氣循環鼓風機，轉速 54000/ 66000 （ r/min ），電機功率：10kW ，轉子質量 3.6kg ，軸承直徑 48mm 。

　　透平增壓泵，轉速 24000r/min ，電機功率 800W 。

　　透平發電機，轉速 32000 r/min ，發電機功率 450kW ，轉子質量 110kg ，軸承直徑 110mm 。

　　透平分子泵，轉速 24000 ～ 50000r/min ，轉子功率達到 1400 k W 。
當前，國際上對電磁懸浮軸承的研究工作也非常活躍。 1988 年召開了第一屆國際磁懸浮軸承會議，此后每兩年召開一次。 1991 年，美國航空航天管理局還召開了第一次磁懸浮技術在航天中應用的討論會�，F在美國、法國、瑞士、日本和我國都在大力支持開展磁懸浮軸承的研究工作。國際上的這些努力，推動了磁懸浮軸承在工業上的廣泛應用。

3.2 電磁懸浮軸承國內研究現狀

　　國內對電磁懸浮軸承的研究工作起步較晚，剛剛走出實驗室階段，落后國外約 20 年。 我國有關磁懸浮軸承研究的進展較緩慢。不過，由于電磁懸浮軸承在一些特殊場合具有突出的優勢，相關研究一直在清華大學，西安交通大學，南京航空航天大學，上海大學等高校開展，也取得了許多研究成果，但主要在理論方面進行分析和研究，工業應用目前還幾乎沒有。
南京航空航天大學是目前國內

摘　要：以Authorware為平臺，連系AutoCAD，Photoshop和Flash等運用軟件開發的繼電庇護多媒體教授教養課件，將復雜的繼電庇護裝備、電路接線及工作原理以聲音、圖像、圖形和動畫等形式浮現出來，有助于深進理解課程內容，也為遠程教授教養提供了極年夜的利便。
關頭詞：繼電庇護；多媒體教授教養；課件

在網絡化社會中，多媒體教授教養的優越性是不言而喻的。多媒體教授教養打破了舊的本本教授教養方式，教師可以以學生對象的分歧特征和要求，有針對性地組織課堂教授教養素材和內容，彌補相關的媒體信息如聲音、圖像、圖形、動畫等，增加學習的透明度、直觀性及趣味性；多媒體教授教養以學生為自動對象，采用有問有答的提醒學習法，如操練題學習方式、溫習指導方式、游戲學習方式及模擬實驗室學習方式等，給學生一個自我學習、自我成長的情況和空間；多媒體教授教養網絡還可以將最新的相關信息加以處置，開設信息窗，給處于渴想接觸新事物、新觀念的學生多增加一雙接觸社會的眼睛。多媒體教授教養的加進可以形成一個新的開放性的、有彈性的交互式教授教養模式。這在調動學生學習積極性、充實闡揚學生自動性、挖掘學生潛能、體現學生的學習個性和價值方面有著重要的意義。本文主要論述若何哄騙多媒體軟件進行繼電庇護課程多媒體教授教養課件的開發運用。
1　繼電庇護教授教養中存在的問題
　　繼電庇護專業課程的教授教養中，最年夜的堅苦在于若何將一些裝備，如發機電、變壓器、斷路器等的內部結構，繼電器、繼電庇護原理接線及裝配的動作進程講授清晰。課本中的素材不足，內容相對滯后于現實生產的成長，另外，課本的圖片和說明基本上是靜態的、呆板的，所以，要準確、準確、切確地講授比力堅苦。繼電庇護課程中所觸及的裝備是復雜裝備，只憑教師語言難以描寫，學生深進理解存在堅苦。而且，由于繼電庇護課程是針對具體裝備的，內容較多，學生學習壓力相對較年夜。若是哄騙繼電庇護多媒體教授教養課件等輔助教授教養資料，可以到達事半功倍的教授教養效果。

2　繼電庇護多媒體教授教養課件的開發
2．1　開發進程
　　由于繼電庇護多媒體教授教養課件是面向教授教養，且具有數據量年夜、交互性強的特點，從而決議了其開發具有怪異的方式。開發進程包括：課件項目簡直定、具體的教授教養設計、整個工程的總設計、稿本的編寫、數據的準備、軟件的編纂等。在此進程中不竭試用和修改，最后形成可用版本。
2．2　課件的設計
　　繼電庇護多媒體教授教養課件以中國電力出書社出書、翁昭樺主編的《繼電庇護》（I）為藍本設計。課件以教材主要章節為基本框架，包括緒論、低壓線路庇護、高壓線路庇護、線路微機庇護、變壓器庇護、發機電庇護、母線庇護及自測題等環節。每章又有分歧分層結構的內容，以此類推。
　　a）將課程教材內容重新拔取、編排、組織。以主要內容、概念、公式、圖形、圖像為單元進行素材的搜集和綜合。
　　b）用AutoCAD2000繪圖軟件對圖形進行繪制和處置，形成可以隨時挪用的根蒂根基圖形庫。
　　c）將繼電器、庇護屏用數碼照相機進行實物拍攝，哄騙Photoshop進行圖像加工，形成圖像庫。力圖從分歧方位、分歧角度觀察和說明各類繼電器基本結構、繼電庇護裝配具體組成、裝備排列位置和接線方式。
　　d）對自測題加進提醒和參考，形成操練庫供學生自學操練；對試題加以匯總和數據庫加工，形成試題庫，供教師編纂試題使用，并可作為校園網絡學生提問、答疑的交互常識庫資本。
　　e）哄騙Authorware軟件平臺對文本文件、圖形文件、聲音文件、圖像文件等加以編排，并加進部門用Flash軟件建造的動畫。其中，文本文件以課程章節為基本工程，每版面臨主要內容加以描寫，并留有公式、概念和插圖位置。部門較復雜圖形哄騙放年夜功能加以處置。在描寫庇護分步動作進程時加進動畫和聲音講授相連系的方式，力圖給學生一個具體又清晰的詮釋進程。
2．3　多媒體課件實例
　　以三段式電流庇護多媒體課程來說明，三段式電流庇護的展開圖如圖1所示。

a）以文本方式列出三段式電流庇護的概念、組成元件，說明每段電流庇護工作原理。寫出整定方式（列出整定公式），列出3種庇護動作時限圖和庇護范圍，并進行對比。
　　b）經由過程原理接線圖及展開圖，對庇護接線的對象、性能、結構加以分步敘述。庇護對象的浮現方式見表1。

c）在原理接線圖中，對庇護的組成元件和組成單元加以區分。劃分顯示瞬時電流速斷庇護包括的元件：兩相電流繼電器KA1，KA2；旌旗燈號繼電器KS1；中心出口繼電器KM。顯示限時電流速斷庇護各元件：兩相電流繼電器KA3，KA4；時間繼電器KT1；旌旗燈號繼電器KS2；中心出口繼電器KM。顯示按時限過電流庇護：兩相電流繼電器KA5，KA6；時間繼電器KT3；旌旗燈號繼電器KS3；中心出口繼電器KM。以上顯示部門以分歧顏色加以區分。
　　d）說明庇護反應及處置線路故障的進程。劃分設置線路庇護一段、二段、三段整定值：設各段整定值劃分為8 A，5 A，2 A；假設劃分在各段庇護范圍內泛起故障，故障電流劃分為10 A，7 A，4 A，比力年夜小后顯示，庇護動作元件部門明滅、庇護起動元件只變色。
　　e）毗連上述所有分步狀態，形成接連動態變化進程，加以演示。其動態變化進程：泛起線路相中斷路故障?一次側電流增年夜?互感器二次電流增對每個元件組成結構、庇護反應步驟加以說明，由此完成庇護的完整動作進程的描寫。
3　繼電庇護多媒體教授教養的成長潛力及標的目的
　　繼電庇護多媒體教授教養不僅可以運用在正規的黌舍教授教養中，而且可以經由過程互聯網絡，使遠程地域的學員也對專業常識及新信息有所領會和接觸。對于現有的電力工程在職職工的函授教育、職工培訓、各級專業技術考核方面也能夠起到積極的輔助作用。

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