磁悬浮轴承的研究进展.pdf

60上海电气技术2023,16(3)磁悬浮轴承的研究进展苏浩男男宋劲松张天旭田野刘增辉河北石油职业技术大学工业技术中心河北承德（067000摘要：磁悬浮轴承是以磁场力承载转子，保持处于悬浮状态，并且定子和转子之间无直接接触的新型轴承。介绍了磁悬浮轴承的分类，对磁悬浮轴承的国外内研究进展进行了论述，并对典型关键技术进行了分析。关键词：磁悬浮轴承；研究；综述中图分类号：TH133.3Abstract:The magnetic bearing is a new bearing which carries rotor via magnetic force,keepingitself in levitation with no direct contact between stator and rotor.The categorization of magneticbearing was introduced,the domestic and international research progress of maganetic bearing wasdiscussed,and the typical key technologies were analyzed.Keywords:Magnetic Bearing;Research;Overview文献标志码：A文章编号：16 7 4-540 X(2023)03-060-04使转子在设定轨道上稳定运转。主动式磁悬浮轴承1磁悬浮轴承概述原理如图1所示，主要由电磁体、位移传感器、转子、磁悬浮轴承以磁场力承载转子，避免机械接触，从而实现无摩擦悬浮旋转状态，是一种新型轴承。因无机械摩擦、无需润滑和维护、经济性好、寿命较长等优势，磁悬浮轴承在航空航天、压缩机、鼓风机、高速机床、人工心脏血泵等方面均有研究及应用价值 1-3。但是，磁悬浮轴承的发展也面临着结构复杂、成本造价较高、极端环境下稳定性差等问题。由此，结构简化、成本降低、高效稳定成为当前磁悬浮轴承研究者们关注的热点。2磁悬浮轴承分类根据自由度、承载力方式的不同，可以将磁悬浮轴承分为主动式磁悬浮轴承、被动式磁悬浮轴承、混合式磁悬浮轴承。2.1主动式磁悬浮轴承主动式磁悬浮轴承由电磁体提供悬浮力来承载转子，由位移传感器确定转子位置，通过控制系统调节电流，以改变磁力大小，从而纠正转子位移偏差，功率放大器、控制器组成。功率放大器控制器图1主动式磁悬浮轴承原理设定轨道运行的转子受到扰动而发生位置偏移时，位移传感器会将实时检测结果传输至控制器，控制器将实时检测结果以数字信号形式发送至功率放大器，根据位移偏差来决定电流调节正负，使转子复位，重新稳定运行。主动式磁悬浮轴承结构如图2 所示 41。2.2被动式磁悬浮轴承被动式磁悬浮轴承与主动式磁悬浮轴承的主要区别是由永磁体产生悬浮力使转子悬浮。被动式磁电磁体转子位移传感器收稿日期：2 0 2 3-0 3第一作者简介：苏浩男（19 8 9 一），男，硕士，讲师，主要研究方向为数字模拟、仿真2023,16(3)上海电气技术61轴向磁轴承隔磁环径向磁轴承辅助轴承转子X4功率放大器位移传感器人悬浮极转矩极永磁体磁悬浮轴承定子控制器图2 主动式磁悬浮轴承结构悬浮轴承的定子和转子通过永磁体之间的吸引力或排斥力来控制相对位置，保持稳定悬浮。被动式磁悬浮轴承的结构相对简单，不需要消耗电能，同样具有相当高的研究价值。被动式磁悬浮轴承结构如图3所示 51。图3被动式磁悬浮轴承结构2.3混合式磁悬浮轴承混合式磁悬浮轴承是主动式磁悬浮轴承与被动式磁悬浮轴承互相结合的产物，结构上以主动式磁悬浮轴承为基础，添加永磁体或超导体作为偏置磁场，提供辅助悬浮力，同时设置机械保护轴承，结构相比主动式磁悬浮轴承略复杂，但是减少了电磁线圈匝数,可以减小整体体积，降低成本。文献 6 提出的基于混合式磁悬浮轴承的新型混合励磁磁悬浮开关磁阻电机结构如图4所示。3国外研究进展早在2 0 世纪30 年代，就出现了磁悬浮技术的图4新型混合励磁磁悬浮开关磁阻电机结构研究，Kemper7提出了主动式磁悬浮列车的原理模型。随着磁悬浮概念及技术的发展，磁悬浮轴承第一次用于卫星导向轮的支撑。此后，磁悬浮轴承的应用研究蓬勃发展，在德国、日本、法国等国家体现出了巨大的研究及应用价值。磁悬浮轴承在航空航天领域的应用，刺激了其在工业生产领域应用的萌芽，如高速机床、石油化工等。另外，磁悬浮轴承还可以应用于医疗领域，如人工心脏泵。近年来，国外磁悬浮轴承研究多集中于超导体、算法优化、控制系统等方面。Laldingliana等 8 研究了基于人工智能的主动磁轴承分数阶比例积分微分控制策略，提出一种分数阶比例积分微分控制器，来提高主动式磁悬浮轴承系统的稳定性和工作性能。Gouskov等 9 I研究了根据被动式磁悬浮轴承组径向力调整的循环支撑泵转子的动力学。Saeed等 10 研究了抑制二自由度转子主动式磁悬浮轴承系统非线性振荡的积分谐振控制器，首次利用积分谐振控制器解决转子主动式磁悬浮轴承系统非线性振动控制问题，并提出了两种积分谐振控制器来抑制水平和竖直方向的系统横向振荡。基于所提出的控制技术，整个系统动力学模型被推导为一个二自由度非线性系统与两个一阶滤波器的线性耦合。Vennemann 等 1I研究了带补偿电流控制器的超螺旋滑模控制大气隙主动式磁悬浮轴承动力学，对系统动力学进行建模，并且在物理试验台架上对所提出的控制器进行试验验证。试验结果表明，即使在大气隙和星型连接线圈的情况下，在主动式磁悬浮轴承上使用嵌套和显式电流控制器性能良好的位置控制，与普通电流控制模型相比，转子的轨迹范围减小8 7%，达到一2 0 2 0 m。Saha等 12 提出基于滑模概念的五自由度主动式磁悬浮轴承系统的模糊逻辑控制，采用模糊逻辑估计滑模控制对输入进行辅助控制，以削弱抖振，利用监督模糊逻辑设计可变增益，从而使控制器具有更高的灵活性。624国内研究进展自2 0 世纪7 0 年代起，国内学者开始对磁悬浮轴承进行研究。至今，国内的磁悬浮轴承技术已经有了长足进步，相应的产业也得到了飞速发展 13。我国第一台磁悬浮轴承电机于19 8 3年诞生于上海微电机研究所，这一电机采用的是混合式磁悬浮轴承。后来，清华大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大这、浙江大学、国防科技大学、山东大学、西安交通大学、南京航天航空大学等相继开展磁悬浮轴承及其应用的研究。陶雪峰等 14研究了磁悬浮飞轮储能补偿脉冲发电机技术，蒲芃成等 15 研究了基于轴向力自由控制的磁悬浮飞轮基座振动抑制问题，李梦磊等 16 进行了离心式冷压机系统超导磁悬浮轴承优化设计，邹银才等 17 设计了高速透平机械超导磁悬浮轴承转子结构，杨石平等 18 对可植人血泵磁悬浮支承结构进行设计与研究，吕东元等 19 1设计了一种永磁偏置磁轴承，与纯电磁轴承相比，永磁偏置磁轴承显著降低了磁轴承功耗。超导磁悬浮轴承系统结构如图5所示。上海电气技术联合会鉴定。随着磁悬浮轴承相关技术的革新，我国磁悬浮轴承领域迎来了斩新的发展时代。5典型关键技术5.1石磁悬浮轴承设计与建模磁悬浮轴承设计时需要根据承载力、转子刚度、损耗及温升等技术参数，以确定拓扑结构、气隙和材料、定转子结构尺寸、绕组匝数、电流和绕线方式等。目前，磁悬浮轴承建模理论已经比较成熟，不同类型磁悬浮轴承的典型建模方法见表1。表1磁悬浮轴承典型建模方法磁悬浮轴承类型典型建模方法等效磁路法、麦克斯韦张量法、主动式涡流效应数学模型通用数学模型、简化数学模型、等效磁荷法假想圆柱形数学模型、被动式等效磁荷法径向磁化数学模型、等效磁荷法轴向磁化数学模型等效磁路法、麦克斯韦张量法、混合式2023,16(3)涡流效应悬浮力模型5.2磁悬浮轴承驱动技术磁悬浮轴承驱动技术按驱动方式，可以分为直流驱动与交流驱动，原理及特点见表2。表2 磁悬浮轴承驱动技术原理及特点驱动方式直流驱动图5超导磁悬浮轴承系统结构张和洪等 2 0 1研究了新型跟踪微分器在航空发动机磁悬浮轴承中的应用。杨福等 2 1 开展了基于细菌觅食算法优化比例积分微分的磁悬浮轴承控制研究。周扬等L22基于径向基函数近似模型进行磁悬浮轴承结构优化设计，建立了考虑不平衡力和不平衡磁拉力的磁悬浮柔性转子机电一体化模型。近年来，国内企业也加人到磁悬浮轴承产业行列中，如飞旋科技、南京磁谷、海尔、格力、重庆威马等。2 0 19 年，飞旋科技自主研发的磁悬浮透平真空泵系统通过中国轻工业原理直流功率放大器适用磁极较多情况，三相逆变器低成本，小体积交流驱动无中间储能的电容或电感，能量双向矩阵变换器流动，动态性能好，维护成本低5.3磁悬浮轴承控制技术磁悬浮轴承控制技术是磁悬浮轴承系统的核心技术，主要控制方法有比例积分微分控制、反馈线性化控制、鲁棒控制、模糊控制、反向传播神经网络等。特点适用磁极较少情况，高成本，大体积2023,16(3)近年来，为解决比例积分微分控制在工业应用中的缺点，众多学者不断研究变论域模糊算法、反向传播神经网络等各种智能算法，对比例积分微分控制进行了优化升级。6展望随着磁悬浮轴承技术的快速发展，磁悬浮轴承在航空航天、医疗、纺织、环保节能、空气压缩、机械加工等领域逐步形成推广应用，同时也面临成本高、结构复杂、控制难等关键问题。未来磁悬浮轴承的研究方向主要集中在结构优化、精准建模、高效驱动等方面，以使磁悬浮轴承体积简化，更智能，更可靠，能效优化。在结构优化方面，采用永磁偏置混合结构、径向轴向混合结构、六极径向对称结构等，对于降低成本、减小体积、提高效率具有积极意义。建模时，若能充分考虑损耗、边际效应、磁性饱和、转子振动等影响磁场分布的因素，则可以提高建模精准度，从而促进设计优化。在驱动和控制方面，矩阵变换器和智能化算法的应用将是未来的热点和重点。参考文献1周金宇，朱烷秋.磁悬浮轴承发展及其研究综述 J.微电机，2 0 2 2,55(6)：9 3-9 8.2 张维煜，朱烷秋，袁野.磁悬浮轴承应用发展及关键技术综述 J.电工技术学报，2 0 15，30（12）：12-2 0.3 J EARNSHAW S.On the Nature of the Molecular Forceswhich Regulate the Constitution of the Luminiferous EtherJ.Transactions of the Cambridge Philosophical Society,1842,7:97-112.4王东，姜豪，苏振中，等.船用磁悬浮轴承关键技术与发展综述 J.中国电机工程学报，2 0 2 0，40（2 0）：6 7 0 46715.5许浩德，李卓远，李栋杰，等.被动永磁悬浮轴承在立式高速离心鼓风机中的应用研究.工业控制计算机，2021,34(12):65-67.6 孙玉坤，殷生晶，袁野，等.新型混合励磁磁悬浮开关磁阻电机基础研究.电机与控制应用，2 0 18，45（10）：46-52.7 K EM PER H.O v e r h e a d Su s p e n s io n R a ilw a y w it hWheel-less Vehicles Employing Magnetic Suspensionfrom Iron Rails:Germ.Pat.Nos.643316,644302P.8 J LALDINGLIANA J,BISWAS P K.Artificial IntelligenceBased Fractional Order PID Control Strategy for ActiveMagnetic BearingLJJ.Journal of Electrical Engineering&上海电气技术Technology,2022,17:3389-3398.9J GOUSKOV A M,SKORYUKOV S V.Dynamics of aCirculatory Support Pump Rotor Adjusted for RadialForces of a Passive Magnetic Bearing SetJ.Journal ofMachinery Manufacture and Reliability,2022,51:163-172.1oJ SAEED N A,MOHAMED M S,ELAGAN S K,et al.Integral Resonant Controller to Suppress the NonlinearOscillations of a Two-Degree-of-Freedom Rotor ActiveMagnetic Bearing SystemJ/OL.Processes,2022,10(2),https:/doi.0rg/10.3390/pr10020271.11 VENNEMANN J,BRASSE R,KONIG N,et al.SuperTwisting Sliding Mode Control with Compensated CurrentController Dynamics on Active Magnetic Bearings withLarge Air GapJ/OL.Electronics,2023,12(4),https:/doi.0rg/10.3390/electronics12040950.12J SAHA S,AMRR S M,BHUTTO J K,et al.Fuzzy LogicControl of Five-DOF Active Magnetic Bearing SystemBased on Sliding Mode Concept J/OL.Frontiers inControl Engineering,2022,3,https:/doi.org/10.3389/fcteg.2022.1008134.13熊万里,孙文彪,刘侃，等.高速电主轴主动磁悬浮技术研究进展 J.机械工程学报，2 0 2 1，57（13）：1-17.14 陶雪峰，刘昆.磁悬浮飞轮储能补偿脉冲发电机技术研究JJ.风机技术,2 0 17,59（5）：45-48.15蒲芃成，张剖，刘平凡，等.基于轴向力自由控制的磁悬浮飞轮基座振动抑制.清华大学学报（自然科学版),2 0 17,57(9):9 9 3-9 9 8.16 李梦磊，潘薇，邹银才，等.离心式冷压机系统超导磁悬浮轴承优化设计J.低温与超导，2 0 17，45（7）：48-54.17 邹银才，魏操兵，潘薇，等.高速透平机械超导磁悬浮轴承转子结构设计JI.低温与超导，2 0 18，46（5）：13-18,36.18杨石平，任永武，余海涛.可植人血泵磁悬浮支承结构设计与研究 J.机床与液压，2 0 18，46（1）：8 7-9 0.19吕东元，吕奇超，李延宝，等.磁悬浮飞轮储能用永磁偏置磁轴承设计 J.飞控与探测，2 0 2 14（3）：7 6-8 2.20张和洪，谢晏清，王娟，等.新型跟踪微分器在航空发动机磁悬浮轴承中的应用 J.航空发动机，2 0 2 2，48（4）：13-19.21杨福，高羽,李彬，等.基于细菌觅食算法的主动磁悬浮轴承PID控制优化 J.轴承，2 0 2 3（7）：19-2 2，38.2 2 周扬，周瑾，张越，等.基于RBF近似模型的磁悬浮轴承结构优化设计 J.西南交通大学学报，2 0 2 2,57（3）：682-692.(编辑：文文)63