【文献选登】

编者的话：磁浮轴承具有无磨耗、无油润、高效率、小型化、节能、免保养、易监控、负载适应性高等优点，为一般滚珠轴承、油膜轴承及空气轴承所不及。本文将介绍磁浮轴承的发展历史、基本结构及台湾外产学界现况，并说明磁浮轴承的应用领域，以及目前在冷媒压缩机的发展情形，期望能在产业界面临企业转型与技术升级压力之时，提供未来可能的发展目标，以及投入此一先进技术研发评估的参考依据。

磁浮轴承之发展与在无油离心式冰水机之应用（摘编）

林宗宪、刘中哲、

工业技术研究院能源与环境研究所

一、前言

转子系统在各种机械装置中被广泛的利用，为了支撑这些转子，在传统上利用了滚珠轴承、油膜轴承等接触式轴承，然而目前高速主轴之使用受到重视，主轴之精密度对于机械性能之影响甚巨。为了因应目前对于主轴之高转速、高负载与洁净度高的要求，若继续使用传统上之接触式轴承，将造成轴承的快速磨耗与质量的缺失，因此利用磁力将转轴悬浮在空气中之磁浮轴承（Magnetic Bearing）便受到重视并进行研究。磁浮轴承在应用上具有非常多的优点，由于其原理为利用磁浮力将转轴悬浮于空气中，当转轴运转时便能够在空气中运转而不接触到轴承，因此磁浮轴承具有无磨耗、不需润滑、使用寿命长、低噪音等特性，相较接触式轴承，将磁浮轴承应用在高转速转子机台上将具有相当的优势。

磁浮轴承的原理是利用磁力／电磁力的相吸或相斥作用，以非接触的方式来使转子稳定悬浮，不论是在静止或运动时，均可悬浮在空中且不接触到周围的定子，藉由这样的特性可避免机械装置元件因接触磨擦所引起的问题。磁浮轴承依产生磁力的方式，可以分成三种形式：被动式磁浮轴承、主动式磁浮轴承与混合式磁浮轴承。被动式磁浮轴承是利用两组永久磁铁相互间之斥力，达到将磁性转轴悬起之机构；主动式磁浮轴承则是经由提供给电磁铁之控制电流，间接控制磁浮力，而达到将转轴悬浮于空气中之机构；混合式磁浮轴承则是以上两种之结合，具有比主动式磁浮轴承较为省电之优点，但永久磁铁的衰退特性亦同时增加控制上的难度。目前国外也有许多研究单位进行这方面研究，例如以类似主轴之架构作为研究平台，应用于工作母机之车削、铣削主轴，或应用于流体机械之大型磁浮轴承，如离心冷媒压缩机、涡轮分子真空帮浦等。

二、磁浮轴承发展历史【1】

早在1842年，Earnshow【2】就证明：单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有6个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的。然而，真正的磁浮研究是从20世纪初利用电磁相吸原理的磁浮车辆研究开始的。1937年，德国Kemper申请了第一个磁悬浮技术专利，他认为要使铁磁体实现稳定的磁悬浮，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即采用可控电磁铁才能实现，这一想法成为之后开展磁悬浮列车和磁浮轴承研究的主流思想。同一时期，美国Virginia大学的Beams和Holmes也对磁悬浮理论进行了研究，他们采用电磁悬浮技术悬浮小球，并透过钢球高速旋转时能承受的离心力来测定试验材料的强度，这可能是世界上最早采用磁悬浮技术支撑旋转体的应用实例。1957年法国Hispano-Suiza公司第一个提出了利用电磁铁和感应传感器组成主动全悬浮系统的想法，并取得法国专利(FrenchPatent1186527,Nov.,1957)，这是现代磁悬浮技术的开始。然而由于控制理论、控制元件、控制电路等方面的问题没有解决，早期的磁悬浮研究主要着重于被动悬浮，由于被动悬浮刚性小、阻尼差，所以主要应用于仪器仪表，无法应用于大负载、高刚度的主轴元件。

20世纪60年代中期，随着控制元件不断发展和进步，磁浮技术的研究跃上了一个新的阶段，磁浮轴承作为一种新的支撑形式，其优良的性能和广阔的应用前景，引起了众多学者和工程技术人员的浓厚兴趣。磁浮轴承的研究是磁悬浮技术发展，并向应用方向转化的一个重要实例。1972年法国SEP公司将第一个磁浮轴承用于卫星导向轮的支撑上，从而揭开了磁浮轴承发展的序幕。此后，磁浮轴承很快被应用到国防、航天等各个领域。20世纪70年代到80年代初，随着现代控制的发展及电子元件技术的进步，人们逐步开始将主动磁力轴承推广应用到工业设备中，相应的控制方法也从单自由度控制(古典控制理论)发展到多自由度控制(现代控制理论)。20世纪90年代，随着机械向高速度、高精度发展，将转子作为刚体来处理已经无法满足精度的需求，磁浮轴承的研究开始转向挠性转子的控制。

磁浮轴承经过30多年的发展，应用的范围进一步地扩大，国外将磁浮轴承应用于航天部门、核能工业部门，特别是军事工业和基础工业的数百种不同的旋转或往复运动机械上，如卫星惯性飞轮、能量储存飞轮、姿态控制飞轮、火箭引擎、涡轮压缩机等。磁浮轴承在国外军方和军事工业得到了足够的重视，原苏联某些相关单位在这些领域的工程化应用也取得较大的成功，美国军用发动机采用主动控制技术，通过磁悬浮轴承减轻重量，以提高压缩机效率和喘振裕度，增加发动机的运行可靠性。目前较热门的应用与研究还有无油冷媒离心压缩机、磁悬浮人工心脏帮浦、无传感器磁浮轴承(Sensorless MagneticBearing)及无轴承马达(Bearingless Motor)等。

三、磁浮轴承一般应用范围【6】

3.1流体机械

离心压缩机：天然瓦斯压送用管路压缩机(图略)，耐100atm的内压，且完全无油化，油封采干式气封。(2)轮机：应用于蒸气轮机、电力轮机。(3)膨胀机(Expander)：分离氦氧用的膨胀压缩机(图略)，采用磁力轴承不需油和密封，可减低运转成本、节约设备空间，高速时负载容量足够。(4)极低温压缩机：超导体发电机用的氦液化装置。(5)水车：水车常在偏僻地区，期望免用油和维护。(6)炉顶压发电机：避免废气腐蚀、污染造成费时的维护。

3.2涡轮分子泵：

半导体制造装置、核融合装置、加速器、表面分析装置等需要无尘的超高真空环境(图略)，目前已有采被动式磁力轴承、主动式5轴控制磁力轴承及被动式磁力轴承与主动式磁力轴承混用之产品。

3.3无尘泵：

半导体制程蚀刻、洗净等湿式工程、医药品制程等的液体移送要求极高无尘度，以往采用磁泵，但此泵的液接部需要轴承，滑动面会产生污染，采用磁力轴承之磁泵，免去叶轮支持用轴承，完全非接触式，实现完全无尘之无尘泵。

3.4热泵压缩机：

大楼工厂等的空调、地区冷暖气等广用的涡轮热泵，是利用叶轮旋转产生的离心力压缩冷媒，高速旋转压缩机，以得所定压力。

3.5活塞压缩机：

核能发电重要设备高温气体炉在处理过程常用活塞压缩机，需要在辐射环境下的维护作业，为能长期安全运转，要泵浦能长寿命、免用油，无发尘、内部不泄漏辐射物质等，磁浮轴承的非接触式支撑、无润滑、低振动等特色符合这些要求。

3.6储能系统：

用普通机械性轴承的飞轮已实用化，但摩擦损失大，所以研究用控制型磁浮轴承以非接触式支撑。

3.7其它应用：

如工作母机主轴、人造卫星用飞轮、滚动轴承异常检测装置、机器人、高温超导体磁力轴承等。

四、磁浮轴承于冷媒离心压缩机之应用

使用滚珠轴承的离心机需要油润滑系统，使得冷媒系统亦不可避免的含有一定比例的润滑油，降低了热交换器的热传效果，减低冰水机的工作效率，并进一步增加压缩机主机的复杂度。因此，离心压缩机应用于冰水机已经渐渐地朝无油化发展，目前较成功的发展例子为DanfossTurbocor之磁浮无油离心式压缩机(图略)。

五、无油化离心压缩机对于冰水机设计观念的影响

传统离心机系统中之润滑油对系统效率影响甚巨。离心式压缩机大多采用液动压轴承，为确保压缩机转动前，润滑油已经充满轴承间隙，必须提前数十秒启动油泵建立油压。在建立油压之过程中，润滑油将有机会溢出轴承，而使润滑油进入马达室与压缩机之排气蜗壳中，并随着冷却马达的冷媒或压缩机吐出之冷媒气体带到冷媒系统之中。此时就必须要有回油机制让冷冻油返回油槽，否则一段时间之后，油槽中的润滑油量将不足以供应润滑所需。回油的方法为使用喷射泵，利用高压气态冷媒导引蒸发器内的油一同返回压缩机油槽。喷射泵将会损耗一部分的系统能力与效率。

此外，若主机长时间于外气较低温之低负载条件运转，喷射泵之高压动力源将不足进行回油，或主机因故起停次数过多，进入系统中之润滑油之量将大于喷射泵之常态回油设计量时，润滑油将会积存在蒸发器中，造成热交换效果不良，亦将造成主机系统能力与效率下降。传统离心机之润滑油温度也是必须谨慎加以控制的项目。油温过高或过低皆会对压缩机造成不良之影响。冰水机系统必须提供油加热与冷却装置进行油温控制，同样会损失一部分的系统能力与效率。

有鉴于上述传统离心机润滑油造成之诸多缺点，新一代小型离心式冰水机已经渐渐地朝无油化发展，目前成功的发展例子为搭配DanfossTurbocor磁浮无油离心式压缩机之冰水机(图略)。无摩擦运转之噪音极低，非常适合中小型商用建筑使用。且冰水机总体积比同能力之螺旋式冰水机小约1/3，减少机房空间之需求。磁浮无油压缩机之特性亦相当适合压缩机汰旧换新之用途，经适当清洗冷媒管路与系统后，可沿用旧机热交换器降低汰旧换新花费，并解决冰水机不易整机进出机房之困扰。磁浮离心式冰水机的技术优势分析请见表3(表略)，磁浮离心式压缩机对环境保护与节能的效益方面请参见表4（表略）。

结语

磁浮轴承就技术发展方面而言，在国外已发展多年，并已经达到商品化与工业应用的阶段，国际上对磁浮轴承的学术研究，也已有广泛与深入的成果。反观台湾学术界虽早有相关研究，但始终停留在实验室阶段，达不到工业应用与推广的程度，而台湾业界对此技术更属空白，多数厂商对此仍持保留态度，因本技术发展上风险相对地较高，未来将在政府能源科技项目计划协助之下，降低研发风险，发展具有商业较高利基的产品，以提升台湾在轴承和传统动力机械的智慧化在电子、电机技术的应用深度和广度。就技术应用面而言，磁浮轴承应用范围极广，举凡国防航天、精密工业、生医工程、能源工业、半导体制程设备等，皆有成功应用的例子，而台湾虽仍未有成功应用的实例，但有可能应用的厂商不少，这些也都是未来极具市场开发潜力方向。

参考文献
【1】胡业发，"磁力轴承的基础理论与应用"，机械工业出版社，2006/03

【2】S.Earnshaw,"On the Nature of MolecularForce which Regulate the Constitution of the Luminiferous Ether,"Trans.Camb Phil.Soc,7 Part1,pp97-pp12(1842).

【3】陈世乐，"磁浮技术与应用"，工研院演讲投影片，中正大学机械系，2007/10

【4】钟明吉，"主动式磁浮轴承系统之动态分析与控制"，国立成功大学博士论文，2000。

【5】磁浮轴承可行性分析，科技成果汇编，南京航空航天大学，available on http://www.nuaa.edu.cn/sci/empolder/zhuanhua_3_23.htm,2008/10/24.

【6】黄忠良编著，"磁悬浮与磁力轴承"，复汉出版社,1997/09.