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10.4 新型轴承概念

磁悬浮轴承技术经过数十年发展，其主流结构（主动电磁轴承、永磁偏置混合轴承）与控制方法已相对成熟。然而，面向未来极端工况（如超高速、超高真空、强辐射）、更高可靠性及更低成本的需求，传统架构面临瓶颈。为此，研究者提出了多种打破常规思维的新型轴承概念。本节将重点阐述两种具有代表性的前沿方向：磁液双悬浮轴承与无传感器磁轴承。前者旨在融合不同物理原理以获取超越单一技术的综合性能；后者则试图简化系统结构、提高可靠性并降低成本。对这些新概念的深入理解，有助于把握磁悬浮技术未来的创新脉络。

10.4.1 磁液双悬浮轴承

磁液双悬浮轴承（Magnetic and Hydrodynamic Hybrid Bearing）并非简单的并联，而是指在同一轴承空间或同一转子系统中，有机融合了电磁悬浮原理与流体动压/静压效应，形成协同作用的新型支承形式。其核心思想是利用不同原理的优势互补，以解决单一轴承在特定工况下的不足。

1. 基本原理与协同机制
传统主动磁轴承在高速下转子损耗大，且存在掉电失稳风险；传统流体轴承虽阻尼大、承载力高，但存在启停摩擦、需要复杂供油系统、且有油雾污染问题。磁液双悬浮轴承旨在取长补短：

• 电磁部分：通常采用永磁偏置混合磁轴承，提供主要的静态悬浮力，实现转子在启停和低速阶段的无接触支承，消除摩擦磨损。同时，其主动控制部分提供可控的刚度和阻尼，用于精密调节和抑制振动。
• 流体动压部分：当转子达到一定转速后，利用转子与轴承套之间楔形间隙内的润滑流体（如特种润滑油、离子液体）自然产生的流体动压效应，形成附加的承载力与阻尼。此部分力是被动产生、随转速升高而增强的。
• 协同工作：低速时，主要依靠电磁力悬浮；高速时，流体动压力成为承载主力，电磁部分则可适当降低功耗，主要起主动控制与稳定调节作用，并可抑制流体轴承可能发生的油膜振荡等失稳现象。二者结合，理论上可实现从零转速到极高转速的全范围高效、高阻尼、高可靠支承[1]。

2. 典型结构与设计挑战
一种典型结构是将永磁偏置磁轴承与浅槽或微织构的流体动压轴承面集成设计，如图1(a)所示。轴承表面设计有特殊的浅腔或微沟槽，在静止和低速时，其流体效应很弱；高速时，这些结构能有效建立动压润滑膜。

• 结构设计关键：
  • 间隙协同设计：磁轴承工作气隙（约0.2-0.5 mm）与流体动压润滑膜厚度（约5-50 μm）处于不同数量级。需设计特殊的阶梯轴颈或锥面，使两个功能区域在径向上错开或在轴向上分区布置，如图1(b)所示。
  • 流体与材料兼容性：润滑流体不能影响磁轴承的电磁性能（如不能导致铁芯腐蚀、线圈绝缘失效），且需具有优异的耐高温、低挥发特性。磁性材料与轴承表面涂层也需与流体兼容。
• 控制策略：需要增益调度或多模型切换控制。在低速区，控制器按纯磁轴承模式工作；随着转速升高，控制器需感知流体动压力的增长，并相应调整电磁力的设定点与控制参数，实现平稳过渡与最优协同[2]。

3. 优势与潜在应用

• 优势：全转速无磨损；高速下承载力和阻尼大幅提升，有利于抑制振动；电磁系统功耗可降低；系统具有内在的掉电保护能力（高速时靠动压力可短暂支承转子安全停机）。
• 挑战：结构复杂，设计难度大；两种物理场（电磁、流固热）耦合分析困难；需要高性能的润滑介质；控制策略复杂。
• 应用展望