什麼是磁浮軸承?

   時間:2014-03-12 02:56:21
什麼是磁浮軸承?簡介
現代工業要求高產能與高效率,因而高速化是許多儀器設備發展的一個重要方向;以光碟機為例,從早期的幾倍速,進展至目前的幾十倍速;以工具機主軸為例,從每分鐘幾……
什麼是磁浮軸承?正文

現代工業要求高產能與高效率,因而高速化是許多儀器設備發展的一個重要方向;以光碟機為例,從早期的幾倍速,進展至目前的幾十倍速;以工具機主軸為例,從每分鐘幾千轉,進展至目前的幾萬轉,人們對於速度的要求似乎永無止盡,但速度的提升卻常遭遇瓶頸;分析許多設備之速度瓶頸,常發現卡在軸承問題。
   常用的軸承為接觸式的滾珠軸承,摩擦問題因而不可避免,摩擦力不僅損耗能量及機件,也會生熱,使機件因溫升而變形,影響精度,甚至破壞整個設備。速度愈高,問題愈嚴重,通常配合適當的潤滑以降低摩擦係數,來改善問題,然而,潤滑會產生污染問題,不利於環保;為解決摩擦問題,透過非接觸方式來支撐轉子是未來必走的方向,唯有如此才能避免機件因相互接觸產生耗損,進而達到高速化。
   非接觸式軸承主要有三類,一是空氣軸承,其缺點是負荷大時精度較差,難以控制,且剛性不佳,可承受力量較小;再者,它必須搭配一空氣幫浦,對於像光碟機系統而言,並不實用。第二類為流體軸承,剛性高、可承受負荷大,成本也不高,但流體阻尼不小,且會受溫度影響,進而影響精度。被認為最具發展潛力的非接觸式軸承為磁浮軸承,它是根據磁力作用的原理,借著磁場感應產生的磁浮力,將轉軸懸浮起來,使得轉子與軸承不互相接觸。
   自古以來,利用磁浮力使一個物體能夠懸浮起來,一直是人類夢想,然而並不容易實現;其實早在1842年就有人提出單獨利用永久磁鐵或固定電流的電磁鐵,無論如何配置,也無法使一個導磁的物體穩定地懸浮在半空中,必須要加入控制后才能穩定運行。直到1937年美國維吉尼亞大學才首度製作一主動式磁浮軸承,成功地將縱軸型離心分離機轉子懸浮起來,雖然如此,磁浮軸承的研究卻發展緩慢,主要是早期控制理論與技術之軟硬體並不完備,再加上對高速化的需求不強烈,直到近20年,由於控制理論與電子技術的發展漸趨成熟,且高速化的需求轉強,使得相關研發愈來愈蓬勃。
   相較於其它軸承,磁浮軸承擁有許多優點;首先,它幾乎無任何旋轉阻力,轉子之轉速可遠高於其它軸承。第二,不需複雜的潤滑系統或氣壓系統,可節省空間。第三,生命周期長,維修成本低。第四,可避免因摩擦所產生之噪音。第五,可適用於非常低溫或高真空狀態等特殊工作環境,如外層空間。第六,可透過主動式控制提供所需之剛性,並有效抑制因高速運轉所產生振動問題。
   正由於這些優點,磁浮軸承已實際應用在眾多領域中:在商業應用方面,有發電機、渦輪壓縮機、高速離心機、超真空幫浦系統、飛輪儲能系統和磁浮式微型馬達系統等;在工具機方面,已經有高速切削機、研磨機與精密加工等工具機問世;在運輸系統,有磁浮列車;在生醫工程,磁浮軸承已應用於人工心臟或心室輔助器;在航空太空工程,則有太空望遠鏡、人造衛星姿態控制用飛船及風洞實驗應用等。在未來發展上,則有電動汽機車儲能裝置、及各儲能系統間之能量轉換等研究與應用。
   目前磁浮軸承的發展面臨某些瓶頸;首先是如何將磁浮軸承的價格壓低,目前磁浮軸承最為人詬病的是價格太昂貴,因此傳統軸承仍然佔有大部分的市場,只是配合較佳之潤滑技術以提高轉速。第二個瓶頸是如何有系統的設計磁浮軸承。最後,磁浮軸承的極限特性也值得重視。若能克服這些瓶頸,高速化將可輕易達成,除工業應用外,磁浮軸承也將會普遍應用於各個領域。   

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