引言
磁悬浮轴承可解决旋转机械的磨损因而延长使用寿命，但由于技术复杂费用高难以普及推广应用。永磁悬浮轴承结构简单成本低，不需要电磁悬浮所需的位子测量和反馈控制系统，也不需要超导磁悬浮的冷却装置，在高速列车和心脏泵等特殊领域有深入的研究[1,2]。由于受EARSHAW原理[3]的影响，学术界长期认为永磁悬浮不可能达到稳定平衡，因此发展缓慢。本文将一种简易的永磁轴承应用于透平机，应用霍尔元件测量转子位子证明，转子确实能悬浮在定子中而且达到稳定的平衡，此结果有望推动永磁悬浮技术在机械领域的广泛应用。
方法：
图1是永磁悬浮轴承的结构示意图。转子和定子上都装有带斜面的两对永磁圆环，所有磁环均轴向充磁，转子磁环与定子磁环的充磁方向相反，大的定子环形永久磁铁2和4与一对小的转子环形永久磁铁3同轴于转轴1，且大小环形永久磁铁之间斜面相互排斥，产生垂直于斜面的斥力，其轴向和径向的分力，使转子悬浮在定子中间，保证转子在转速足够大时能稳定地在六个自由度达到平衡。
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图1：永磁悬浮透平机的原形设计.1.转轴;2.定子磁环;3.转子磁环;4.定子磁环.转子磁环与定子磁环的斜面相互排斥,产生垂直于斜面的斥力，其轴向和径向的分力，使转子悬浮在定子中间.

图2和图3分别是永磁悬浮轴承的转子和定子的下端部分，定子的上端与之对称大致相同。

图2：永磁悬浮透平机样机的转子。

图3：永磁悬浮透平机样机的定子的下端。

为了探明转子是否真正达到悬浮，转子的偏心距用4个霍尔元件测量（图4）。霍尔元件被放置在定子外圆，圆周方向均匀分布，转子磁环与霍尔元件之间的距离变化会引起霍尔元件内感应电压的变化，经计算机处理后可得到转子的偏心距。转子与定子之间半径方向的间隙是0.15mm。如果转子的最大偏心距小于0.15mm，则可认为转子与定子没有机械接触，换言之转子已经达到悬浮。

图4 用霍尔传感器测量转子偏心距。4个霍尔元件放置在定子外圆，圆周方向均匀分布，转子磁环与霍尔元件之间的距离变化会引起霍尔元件内感应电压的变化，经计算机处理后可得到转子的偏心距

叶轮固定在透平机模型的转子上，采用空气压缩机产生8个大气压的高压气流，吹动叶轮旋转，使转子达到相当高的转速，然后撤掉高压气流，同时检测装置开始记录四个霍尔传感器的电压值和转动速度。转子的转速受到空气阻力缓慢下降，到转速为零时停止检测装置记录数据，并把已记录的数据上传到计算机中。偏心距检测装置每4毫秒检测一组数据，一组数据包括四个霍尔传感器的电压值和测量转速的脉冲数。

结果
利用偏心距测量系统将接受到的数据上传至计算机，用所得的前450组数据计算出每一时刻的偏心距。

为了清楚的看到转子偏心距随时间的变化情况，把偏心距计算结果绘制成曲线图（图5）。因转子与定子的间隙为0.150mm，只要转子偏心距小于该值即可认为转子被悬浮起来。由图5可以清楚的看到在时间为500ms左右时处于临界状态，在此之前偏心距小于0.150mm，偏心距最大值小于0.130mm,平均在0.090mm左右；在此之后，可以看到偏心距接近于0.150mm。由震动幅度上来看，开始时速度较大振幅较小，随着时间的推移速度减慢，振幅也变大了，这是典型的陀螺效应，即速度愈高愈稳定。实际应用时透平机转速可达几万甚至数十万转/分，这对永磁悬浮轴承来说简直是“如鱼得水”。

由此说明，转子在时间点500ms以前悬浮起来了，在此之后未能悬浮。时间点500ms所对应的速度就是透平机转子悬浮起来所需的最小转速。

为进一步分析临界速度，建立了转速与此转速时的最大偏心距之间的关系。转速由转速传感器测出，因为转速是不断在变化的，所以测出的转速实际上是一段时间内的平均转速，再从450组数据中找出对应时间段内的最大偏心距，最后绘制成曲线图6。

图6显示转子稳定悬浮的最小转速为1800rpm，因为只有当转速高于此值时最大偏心距才会小于0.150mm；1800rpm对应的时间点为500ms，与图5相吻合。

图5：转子偏心距变化曲线
图6：转子稳定悬浮的最小转速为1800rpm，因为只有当转速高于此值时最大偏心距才会小于转子与定子之间的间隙0.15mm。横坐标是时间;纵坐标左侧是转速,右侧是转子的最大偏心距.图中最大偏心距(连接黑点的曲线)在转速(连接空心三角的曲线)1800转/分以上时明显小于转子与定子之间的间隙0,15mm,当转速低于1800转/分时达到0，15mm,说明1800转/分是转子悬浮的最低转速。