什么是磁浮轴承？

磨界之神

什么是磁浮轴承？ 现代工业要求高产能与高效率，因而高速化是许多仪器设备发展的一个重要方向；以光驱为例，从早期的几倍速，进展至目前的几十倍速；以工具机主轴为例，从每分钟几千转，进展至目前的几万转，人们对于速度的要求似乎永无止尽，但速度的提升却常遭遇瓶颈；分析许多设备之速度瓶颈，常发现卡在轴承问题。 , V W1 ~, }: }2 Q9 e5 I) S ; C2 v' f* U. U2 h 常用的轴承为接触式的滚珠轴承，摩擦问题因而不可避免，摩擦力不仅损耗能量及机件，也会生热，使机件因温升而变形，影响精度，甚至破坏整个设备。速度愈高，问题愈严重，通常配合适当的润滑以降低摩擦系数，来改善问题，然而，润滑会产生污染问题，不利于环保；为解决摩擦问题，透过非接触方式来支撑转子是未来必走的方向，唯有如此才能避免机件因相互接触产生耗损，进而达到高速化。 ; q- ~6 m' W! o; u. [9 ]5 z1 ^ 非接触式轴承主要有三类，一是空气轴承，其缺点是负荷大时精度较差，难以控制，且刚性不佳，可承受力量较小；再者，它必须搭配一空气帮浦，对于像光驱系统而言，并不实用。第二类为流体轴承，刚性高、可承受负荷大，成本也不高，但流体阻尼不小，且会受温度影响，进而影响精度。被认为最具发展潜力的非接触式轴承为磁浮轴承，它是根据磁力作用的原理，借着磁场感应产生的磁浮力，将转轴悬浮起来，使得转子与轴承不互相接触。 * Q+ q4 m# s2 g: M+ @ ( p* Q8 Q8 u4 }4 O8 ~- N 自古以来，利用磁浮力使一个物体能够悬浮起来，一直是人类梦想，然而并不容易实现；其实早在1842年就有人提出单独利用永久磁铁或固定电流的电磁铁，无论如何配置，也无法使一个导磁的物体稳定地悬浮在半空中，必须要加入控制后才能稳定运行。直到1937年美国维吉尼亚大学才首度制作一主动式磁浮轴承，成功地将纵轴型离心分离机转子悬浮起来，虽然如此，磁浮轴承的研究却发展缓慢，主要是早期控制理论与技术之软硬件并不完备，再加上对高速化的需求不强烈，直到近20年，由于控制理论与电子技术的发展渐趋成熟，且高速化的需求转强，使得相关研发愈来愈蓬勃。 0 j4 L: l: D! `( ]0 ]$ w 相较于其它轴承，磁浮轴承拥有许多优点；首先，它几乎无任何旋转阻力，转子之转速可远高于其它轴承。第二，不需复杂的润滑系统或气压系统，可节省空间。第三，生命周期长，维修成本低。第四，可避免因摩擦所产生之噪音。第五，可适用于非常低温或高真空状态等特殊工作环境，如外层空间。第六，可透过主动式控制提供所需之刚性，并有效抑制因高速运转所产生振动问题。 正由于这些优点，磁浮轴承已实际应用在众多领域中：在商业应用方面，有发电机、涡轮压缩机、高速离心机、超真空帮浦系统、飞轮储能系统和磁浮式微型马达系统等；在工具机方面，已经有高速切削机、研磨机与精密加工等工具机问世；在运输系统，有磁浮列车；在生医工程，磁浮轴承已应用于人工心脏或心室辅助器；在航空太空工程，则有太空望远镜、人造卫星姿态控制用飞船及风洞实验应用等。在未来发展上，则有电动汽机车储能装置、及各储能系统间之能量转换等研究与应用。 目前磁浮轴承的发展面临某些瓶颈；首先是如何将磁浮轴承的价格压低，目前磁浮轴承最为人诟病的是价格太昂贵，因此传统轴承仍然占有大部分的市场，只是配合较佳之润滑技术以提高转速。第二个瓶颈是如何有系统的设计磁浮轴承。最后，磁浮轴承的极限特性也值得重视。若能克服这些瓶颈，高速化将可轻易达成，除工业应用外，磁浮轴承也将会普遍应用于各个领域。