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負壓風(fēng)機機殼電磁懸浮軸承的發(fā)展及在鼓風(fēng)機上的應(yīng)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(fā)展，對國內(nèi)國外電磁軸承的技術(shù)研究和應(yīng)用水平做了詳細的比較，調(diào)研了電磁軸承在鼓風(fēng)機上的應(yīng)用情況，尤其結(jié)合企業(yè)的實際情況，得出電磁懸浮軸承完全具備應(yīng)用在鼓風(fēng)機、壓縮機上的結(jié)論。
關(guān)鍵詞： 電磁懸浮軸承；透平式鼓風(fēng)機；應(yīng)用
中圖分類號： TH133.3 文獻標(biāo)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(xiàn)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(yōu)點，屬于高技術(shù)領(lǐng)域。磁浮軸承的研制不僅可以填補國內(nèi)空白，而且可以帶動機電行業(yè)的很多相關(guān)企業(yè)進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，形成新的經(jīng)濟增長點。此外，電磁懸浮軸承的研制具有重要的國防應(yīng)用價值，可為我國研制以磁軸承支承的新一代航空發(fā)動機儲備先進的科學(xué)技術(shù)。
電磁懸浮軸承是典型的機械電子學(xué)產(chǎn)品， 機械電子學(xué)是融機械工程、電氣工程、計算機科學(xué)于一體的跨學(xué)科工程領(lǐng)域。
1 電磁懸浮軸承產(chǎn)生的背景
電磁懸浮軸承技術(shù)的發(fā)展是由于現(xiàn)代工業(yè)對新一代支承技術(shù)的需求推動的。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度和精度越來越高、轉(zhuǎn)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(huán)境下的軍工、航空航天領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)機械來說，除了要求能夠承受嚴(yán)酷的環(huán)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(zhuǎn)機械的最大特點在于：轉(zhuǎn)子運動始終被約束在間隙比較小的空間內(nèi)。這種間隙比，對于傳統(tǒng)的油潤滑軸承來說，大致在 1/1000 ～ 5/1000 范圍內(nèi)。由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械進一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)的原因 [1] 。
對于新一代支承技術(shù)性能指標(biāo)的要求為（ 1 ）高轉(zhuǎn)速：從每分鐘數(shù)十轉(zhuǎn)到數(shù)十萬轉(zhuǎn)；（ 2 ）高精度：要求支承具有良好的動態(tài)性能。例如：轉(zhuǎn)子的動態(tài)振幅要求控制在一定的范圍內(nèi)；（ 3 ）可控性；（ 4 ）對于各種嚴(yán)酷環(huán)境的適應(yīng)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(yīng)用的支承技術(shù)當(dāng)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(yè)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
磁浮軸承工程主要由被懸浮物體、傳感器、控制器和執(zhí)行器四大部分組成 , 見圖 1 。其中執(zhí)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(chǎn)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(shè)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(qū)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(wěn)定性由控制規(guī)律決定。剛度和阻尼可在物理極限范圍內(nèi)廣泛地變動，亦可根據(jù)技術(shù)要求進行調(diào)節(jié)，甚至可以在運行過程中加以改變。
2.2 電磁懸浮軸承的優(yōu)點
電磁懸浮軸承擁有許多傳統(tǒng)軸承所不具備的優(yōu)點。
(1) 可以達到較高的轉(zhuǎn)速：理論上講，電磁懸浮軸承支承的轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速只受到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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�。涸鴮σ慌_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(zhuǎn)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(tǒng)軸承。
(4) 無需潤滑 ： 電磁懸浮軸承不存在潤滑劑對環(huán)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(huán)等成套設(shè)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(guī)軸承技術(shù)相競爭。
(5) 適應(yīng)性好：對極端高溫、極端低溫運行環(huán)境都具有很好的適應(yīng)性。
(6) 可控性 ： 電磁懸浮軸承的靜態(tài)及動態(tài)性能都是在線可控的。
(7) 可測試、可診斷、可在線工況監(jiān)測： 事實上，電磁軸承懸浮本身就是集工況監(jiān)測、故障診斷和在線調(diào)節(jié)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(yīng)急軸承。在工程發(fā)生故障時，對轉(zhuǎn)子的應(yīng)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子迅即進入自由落體狀態(tài)，繼而與保護軸承內(nèi)壁發(fā)生沖擊、碰撞和摩擦。在轉(zhuǎn)子著陸過程中，轉(zhuǎn)子動能逐漸轉(zhuǎn)化為摩擦熱，如果這些熱量不能順利地發(fā)散，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的熱變形和電磁懸浮軸承損壞，因此對保護軸承以及轉(zhuǎn)子在著陸過程中的沖擊動力學(xué)研究同樣十分必要。
3 電磁懸浮軸承的國內(nèi)外現(xiàn)狀
3.1 國外現(xiàn)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(chǎn)與電磁懸浮軸承有關(guān)的產(chǎn)品，并且有公司開始將產(chǎn)品向中國市場推進，在磁軸承技術(shù)領(lǐng)域，國外的領(lǐng)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(yīng)用的方向越來越明確，在壓縮機領(lǐng)域內(nèi)電驅(qū)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(lǐng)域可以應(yīng)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(fā)電的透平機；用于乙烯生產(chǎn)的膨脹透平機等 。
有理由相信，未來磁浮軸承在數(shù)量上和型號上的應(yīng)用將不斷增長，因為機械運轉(zhuǎn)的速度、負荷、溫度、無油的實現(xiàn)，電磁懸浮軸承是最好的解決之道。 S2M 公司已經(jīng)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(shù)字控制主動磁軸承的一流供應(yīng)商，具有 17 年的磁軸承設(shè)計歷史。其產(chǎn)品主要包括：透平鼓風(fēng)機，透平增壓泵、透平發(fā)電機、透平分子泵上的主動磁浮軸承。具體的技術(shù)指標(biāo)如下：
透平鼓風(fēng)機類的CO2空氣循環(huán)鼓風(fēng)機，轉(zhuǎn)速 54000/ 66000 （ r/min ），電機功率：10kW ，轉(zhuǎn)子質(zhì)量 3.6kg ，軸承直徑 48mm 。
透平增壓泵，轉(zhuǎn)速 24000r/min ，電機功率 800W 。
透平發(fā)電機，轉(zhuǎn)速 32000 r/min ，發(fā)電機功率 450kW ，轉(zhuǎn)子質(zhì)量 110kg ，軸承直徑 110mm 。
透平分子泵，轉(zhuǎn)速 24000 ～ 50000r/min ，轉(zhuǎn)子功率達到 1400 k W 。
當(dāng)前，國際上對電磁懸浮軸承的研究工作也非�；钴S。 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(shù)在航天中應(yīng)用的討論會。現(xiàn)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(yè)上的廣泛應(yīng)用。
3.2 電磁懸浮軸承國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)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(guān)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(yōu)勢，相關(guān)研究一直在清華大學(xué)，西安交通大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，上海大學(xué)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(yè)應(yīng)用目前還幾乎沒有。
南京航空航天大學(xué)是目前國內(nèi)
摘 要：以Authorware為平臺，連系A(chǔ)utoCAD，Photoshop和Flash等運用軟件開發(fā)的繼電庇護多媒體教授教養(yǎng)課件，將復(fù)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(xiàn)出來，有助于深進理解課程內(nèi)容，也為遠程教授教養(yǎng)提供了極年夜的利便。
關(guān)頭詞：繼電庇護；多媒體教授教養(yǎng)；課件
在網(wǎng)絡(luò)化社會中，多媒體教授教養(yǎng)的優(yōu)越性是不言而喻的。多媒體教授教養(yǎng)打破了舊的本本教授教養(yǎng)方式，教師可以以學(xué)生對象的分歧特征和要求，有針對性地組織課堂教授教養(yǎng)素材和內(nèi)容，彌補相關(guān)的媒體信息如聲音、圖像、圖形、動畫等，增加學(xué)習(xí)的透明度、直觀性及趣味性；多媒體教授教養(yǎng)以學(xué)生為自動對象，采用有問有答的提醒學(xué)習(xí)法，如操練題學(xué)習(xí)方式、溫習(xí)指導(dǎo)方式、游戲?qū)W習(xí)方式及模擬實驗室學(xué)習(xí)方式等，給學(xué)生一個自我學(xué)習(xí)、自我成長的情況和空間；多媒體教授教養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)還可以將最新的相關(guān)信息加以處置，開設(shè)信息窗，給處于渴想接觸新事物、新觀念的學(xué)生多增加一雙接觸社會的眼睛。多媒體教授教養(yǎng)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(yǎng)模式。這在調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、充實闡揚學(xué)生自動性、挖掘?qū)W生潛能、體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(yǎng)課件的開發(fā)運用。
1 繼電庇護教授教養(yǎng)中存在的問題
繼電庇護專業(yè)課程的教授教養(yǎng)中，最年夜的堅苦在于若何將一些裝備，如發(fā)機電、變壓器、斷路器等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(nèi)容相對滯后于現(xiàn)實生產(chǎn)的成長，另外，課本的圖片和說明基本上是靜態(tài)的、呆板的，所以，要準(zhǔn)確、準(zhǔn)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(fù)雜裝備，只憑教師語言難以描寫，學(xué)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(nèi)容較多，學(xué)生學(xué)習(xí)壓力相對較年夜。若是哄騙繼電庇護多媒體教授教養(yǎng)課件等輔助教授教養(yǎng)資料，可以到達事半功倍的教授教養(yǎng)效果。
2 繼電庇護多媒體教授教養(yǎng)課件的開發(fā)
2．1 開發(fā)進程
由于繼電庇護多媒體教授教養(yǎng)課件是面向教授教養(yǎng)，且具有數(shù)據(jù)量年夜、交互性強的特點，從而決議了其開發(fā)具有怪異的方式。開發(fā)進程包括：課件項目簡直定、具體的教授教養(yǎng)設(shè)計、整個工程的總設(shè)計、稿本的編寫、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shè)計
繼電庇護多媒體教授教養(yǎng)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(shè)計。課件以教材主要章節(jié)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(fā)機電庇護、母線庇護及自測題等環(huán)節(jié)。每章又有分歧分層結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，以此類推。
a）將課程教材內(nèi)容重新拔取、編排、組織。以主要內(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)、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(xué)生自學(xué)操練；對試題加以匯總和數(shù)據(jù)庫加工，形成試題庫，供教師編纂試題使用，并可作為校園網(wǎng)絡(luò)學(xué)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(jié)為基本工程，每版面臨主要內(nèi)容加以描寫，并留有公式、概念和插圖位置。部門較復(fù)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(xué)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(jīng)由過程原理接線圖及展開圖，對庇護接線的對象、性能、結(jié)構(gòu)加以分步敘述。庇護對象的浮現(xiàn)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(qū)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(qū)分。
d）說明庇護反應(yīng)及處置線路故障的進程。劃分設(shè)置線路庇護一段、二段、三段整定值：設(shè)各段整定值劃分為8 A，5 A，2 A；假設(shè)劃分在各段庇護范圍內(nèi)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(tài)，形成接連動態(tài)變化進程，加以演示。其動態(tài)變化進程：泛起線路相中斷路故障?一次側(cè)電流增年夜?互感器二次電流增對每個元件組成結(jié)構(gòu)、庇護反應(yīng)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(yǎng)的成長潛力及標(biāo)的目的
繼電庇護多媒體教授教養(yǎng)不僅可以運用在正規(guī)的黌舍教授教養(yǎng)中，而且可以經(jīng)由過程互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使遠程地域的學(xué)員也對專業(yè)常識及新信息有所領(lǐng)會和接觸。對于現(xiàn)有的電力工程在職職工的函授教育、職工培訓(xùn)、各級專業(yè)技術(shù)考核方面也能夠起到積極的輔助作用。
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