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　　ISSN 1000 - 3762 轴承 2003 年第 6 期 50 - 52 CN41 - 1148/ TH Bearing 2003 ,No . 6 磁悬浮轴承的研究现状和发展趋势 李慧敏, 汪希萱 ( ) 浙江大学 化工机械研究所, 浙江 杭州 310027 摘要 :介绍磁悬浮轴承的历史及 目前的研究状况, 从系统建模 、系统结构和轴承控制三个方面对其发展趋势进 行了探讨 。分析磁悬浮轴承的应用前景, 并指出了今后的研究方向。 关键词 :磁悬浮轴承; 结构; 发展 ( ) 中图分类号 :TH133 . 33 文献标识码 :B 文章编号 :1000 - 3762 2003 06 - 0050 - 03 ( ) 1. 2 自传感器结构 self - sensing 1 系统结构 自传感器结构即从可控电磁铁中提取转子的 传统的磁轴承驱动机构由一个三相电机 、两 位移信号, 控制的输入信号与输出为同一电路 。 个四相径向磁轴承 、一个两相轴向磁轴承和多个 调谐LC 电路轴承是经常应用的自传感器结构 , 功率转换部件构成, 这种结构体积庞大, 机械与电 它利用LC 电路共振的特性设计而成 。此类轴承 气费用较高 。为了降低费用, 增加设计的灵活性, 的缺点是所产生的力和刚度不大 ,且不能象机械 人们对磁轴承系统结构进行了多方面研究 。 阻尼或主动轴承那样产生阻尼 , 因此这样的系统 1. 1 永磁与电磁结构相结合 易不稳定 。它们被应用于精度要求不高的场合 , 由于永磁材料的固有磁特性, 可以利用它来 如陀螺仪表等 。但如能用其他手段产生阻尼 ,再 降低可控电磁铁的偏置电流, 减少系统功耗, 并且 加以合理的设计 ,可获得满意的效果 。澳大利亚 产生同样的磁场, 永磁比电磁的体积小, 可使系统 的Nicholas Mu Guire 在流体中利用 LC 调谐轴承, 结构变得简单, 易于磁悬浮系统的集成 。 利用转子与定子间的流体作为阻尼器, 获得了满 随着永磁材料的研究和发展, 磁性能不断提 意的效果[ 1] 。 高, 特别是NeFeB 系列永磁体的开发, 使永磁应用 另外为了提高该类磁轴承系统的整体性能, 到磁悬浮领域的费用大幅度降低, 为工业应用提 人们在信号提取和控制输出等方面进行了研究和 供了可能性 。然而, 永磁的气隙磁场强度往往是 改进 。如日本 Saitama 大学在位移传感器中采用 恒定的, 不易调节, 故 目前研究的多为永磁偏置的 频率反馈和锁相技术 ;美国的Myonggyu D Noh 等 被动与主动混合控制模式 。 采用数字信号处理技术从电流波中提取转子位移 永磁体的退磁和漏磁是工业应用中亟待解决 信号等[ 1] 。 的问题 。合理设计永磁体的形状和配置, 使更多 1. 3 无轴承电机 的磁通量汇聚到工作气隙中, 从而提高转子的承 由于磁轴承结构和交流电机定子结构相似, 载能力 。目前多采用 Halbach 阵列来增加工作气 可以把磁轴承中产生径向力的绕组绕制在原来的 隙中的磁通量, 如在永磁 电机中采用 Halbach 阵 电机定子绕组上, 使径向力磁路和电机的旋转磁 列可以提高电机能密度, 减小电机体积, 提高永磁 路合成一个整体, 并同时控制电机的旋转和转轴 电机的性能 。此外美国的Lawrence Livemore 国家 的悬浮, 实现无轴承 电机 。这个概念最初 由 R 实验室还将之用于飞轮能量储存系统中, 以提高 Bosch 于 20 世纪 80 年代末提出来[ 3] 。在瑞士的J 永磁体的利用率[ 1] 。另外在结构上出现了锥形混 Bichsel 实现了同步电机的无轴承技术之后[4] , 无 合磁悬浮轴承, 它的控制磁场和永磁磁场各 自独 立, 也提高了转子的承载能力[2] 。 轴承电机的研究引起了重视 。 与磁轴承电机相比, 无轴承电机具有体积小, 收稿 日期 :2002 - 05 - 16 耗能少, 转速更高等优点 。但 由于将磁轴承绕组 ( ) , 女, 河南漯河人, 浙江大学化 和电机定子绕组叠压在一起, 使得无轴承电机系 作者简介 :李慧敏 1975 - 工机械研究所博士研究生 。 统具有复杂的非线性强耦合特性, 主要表现在 : 电 李慧敏等 :磁悬浮轴承的研究现状和发展趋势 5 1 磁转矩和径向力之间存在耦合; 因磁饱和温度变 系统能耗方面对电磁轴承的结构进行了研究, 出 化等因素所引起的电机参数的变化 。为解决以上 现了三极电磁轴承 。但非线性令此类轴承系统更 难点, 人们在解耦控制和磁饱和的影响等方面进 为复杂[ 7] 。 行了研究 。如 Schob R 和 Bichsel J 等提出了一个 2 系统建模 近似线性化的基于矢量变换的控制方法来实现电 磁转矩和径向力之间的耦合控制, 但该算法构造 磁悬浮轴承系统一般由机械部分和电气部分 比较复杂, 需对多个磁通矢量进行控制[ 1] ; Chilba 组成, 建模分为两部分 :被控对象与执行器 。 A 等提出了对电机电流的幅值和相角进行补偿来 2. 1 柔性转子的建模 保持旋转磁场的平稳转动和幅值恒定, 以实现径 在早期的磁悬浮轴承的研究中, 为使控制简 [ 5] 向力分量控制之间的解耦 等 。但以上只实现了 单, 研究对象多为较简单的刚性系统 。此时转子 静态解耦, 且控制方法都没有考虑针对电机参数 轴的自由度数 目较少, 控制时只需对各 自由度分 的变化来设计控制算法 。 别实施解耦控制即可 。但随着它被越来越多的应 1. 4 超导磁轴承( SMB) 用于高速旋转机械中, 建模对象实际是一个多自 1939 年, 布朗贝克对磁悬浮作了进一步的物 由度柔性转子轴承系统 。其自由度数 目随着质点 理剖析; 唯有抗磁性材料才能依靠选择恰当的永 数目成四倍地增加, 且质点间和径向支撑与转子 久磁铁结构与相应的磁场分布而实现稳定悬浮 。 间的耦合无法避免[ 1] 。目前, 在系统建模时, 将更 但 目前由抗磁所产生的磁力实在太小, 因而没有 多地采用柔性转子系统分析方法 。 工程实用价值, 只有超导体的抗磁效应所产生的 2. 2 涡流和磁滞后模型 磁场力才足够大 。 在磁悬浮轴承中, 涡流和磁滞后现象是必然 但在实际应用中, 单靠超导体的磁悬浮轴承 存在的。涡电流不仅耗能, 而且产生热量, 对转子 在承载能力和刚度方面 尚不能和 电磁铁轴承相 系统产生影响 。为了阻断涡电流, 转子轴颈部位 比, 故超导磁轴承一般与永磁轴承 、电磁轴承 多采用叠式结构 。为了进一步了解涡电流和磁滞 (AMB) 等相结合构成一个稳定的混合型磁轴承 。 后, 近年来人们对其在转子系统中的稳定性及功 由于超导特性多在低温下产生, 故需要一套保持 率损耗等方面进行了有效的探索 。如 Yoshimoto 温度的复杂结构, 耗资不菲, 不利于大规模应用 。 最早用有 限元法计算 了磁轴承 中涡 电流 的损 为了改变超导体的温度限制, 近年来人们加紧了 耗[8 ] ;Rockwell R D 在两维空间中采用麦克斯韦方 具有抗磁性能的高温超导体的研究和实验, 并已 程将磁势矢量的微分方程解耦, 计算涡电流量; 被应用于飞轮储能系统中。 Matti Antila 等就径向磁轴承的涡流建立了基于非 1. 5 斥力式磁悬浮轴承 线性磁阻网络模型和一维线性涡流方程 ,发现涡 磁悬浮轴承按照悬浮转子的磁力分为 : 吸力 电流对电流刚度 、位移刚度等线性化参数的影响 式和斥力式 。吸力式磁悬浮轴承在径向上是一个 较小 ,而磁饱和是以上线性参数大小变化的主要 不稳定系统, 需采用控制手段 。此外, 若突然断电 原因[ 1] 。 或控制失效, 则悬浮转子将发生“坠落”, 虽有辅助 随着转子转速的提高, 涡电流也会越来越强 。 轴承保护, 对轴承仍有较大冲击 。而斥力式则可 近几年, 人们在永磁轴承系统中利用涡电流在高 以改变吸力式的缺点, 在径向可以保持稳定, 控制 转速时产生的力成功地实现了稳定悬浮[ 1] 。但这 ( ( ) 主要考虑轴向位移 。且在突然断电的情况下 永 类系统提供的刚度不高 几千 N/ m , 只在一定转 ) 磁与电磁混合使用 , 可以防止悬浮转子的“坠落” 速范围内保持稳定, 且在低速情况下由于涡电流 带来的冲击力对轴承的损害 。但斥力式需永磁体 产生的力较小而需要辅助支承 。 有较高的矫顽力以克服同性相斥所引起的退磁现 随着磁悬浮轴承应用范围的扩大, 对系统的 象 。近年来随着较高矫顽力磁性材料的不断涌 转速和精度要求也越来越高 。在系统建模时, 涡 现, 使斥力式磁悬浮轴承又被人们重新认识和研 流和磁滞后现象对电流刚度 、位移刚度和功率损 究 。印度的 Muknopadyay S C 与 日本 T Ohjj 等人 耗等的影响将被考虑在内。 的论文是比较有代表性的研究成果[ 1, 6] 。 2. 3 控制系统和结构特性的融合 除以上几方面的发展外, 近年来人们在减少 磁悬浮系统的性能与传统轴承不同, 它是由 52 《轴承》2003 . №. 06 轴承控制系统和转子结构动态特性综合作用的结 从现有文献看, 现在单一的一种控制手段已 果 。研究传统轴承的动态特性已有较为成熟的方 不能适应 日益复杂的磁悬浮系统, 将各种控制方 法, 可将其加以改进应用于磁悬浮系统 。国内外 法优化组合加以综合运用已成为发展趋势, 随着 学者对此进行了研究, 如 Mason S 、Tsiotras P , Al 新的控制手段的引入将会把磁悬浮研究带入更为 laire P 采用有限元法, 研究磁力轴承转子系统的 广阔的应用领域 。 设计[ 1] ; 唐钟麟采用传递矩阵法, 提出了电磁轴承 到目前为止, 磁悬浮轴承的实际应用中还存 [ 9] ( ) 柔性转子系统特性和参数分析方法 等 。但将转 在着以下问题 : 1 造价高 。目前实现稳定磁悬浮 子结构动态特性和轴承控制系统分别进行分析, 的轴承系统多较为复杂, 造价比传统轴承高, 仅应 ( ) 则对磁悬浮轴承系统的整个动态性能不能全面了 用于某些特殊需要的场合 。 2 磁悬浮轴承的刚 解 。因此有学者提出了基于结构动态特性的磁力 度和承载能力使大规模应用还有一定难度 。磁悬 轴承转子系统的设计方法[ 10] 。该方法综合有限 浮轴承刚度的大小取决于系统结构和组成, 现在 元法和传递矩阵法二者优点, 在分析磁力轴承的 多采用可控电磁铁来实现系统的稳定, 提供的刚 动力学特性基础上, 对转子的结构动态特性进行 度和阻尼都比较小, 承载能力比同等条件下的传 了有限元分析 。 统轴承小, 这也制约了磁悬浮轴承的应用范围。 参考文献 : 3 轴承控制 [ 1 ] International Symposium on Magnetic Bearings. 1994 , 作为被控对象的转子, 多呈现非线 . 但早期的轴承控制研究和应用多将控制对象在一 [2 ] Bassani R , Ciulli E , et al . Study of Conic Permanent 定条件下进行线性化, 采用已成熟的线性控制算 Magnetic Bearings [J ] . Meccanica , 2002 ,36 ( 6) :745 - 法, 如 PID 控制 、状态反馈控制等 。传统的 PID 控 754 . 制具有较大的相位和增益裕度, 其稳定性较好, 在 [3 ] Bosch . Development of a bearingless Motor [J ] . Proc . ( ) ( ) Int . Conf . Electric . Machines ICEM’88 ,1988 , 3 :373 工业中已被用来降低转子的振动, 但这些控制只 - 375. 在一定的转速下可保持系统稳定, 而当被控制对 [4 ] Bichsel J . The Bearingless Electrical Machine [ C ] . Proc . 象模型参数发生变化或存在不确定因素时则不能 Int . Symp . Magn . Suspension technol NASA Langley Res. 有效地降低振动甚至可能引起振动, 此时需要专 Center Hamption ,1991 :561 - 573 . 门的参数整定技术 。针对这种情况, 出现了 PID [ 5 ] Chiba A , Furuichi R , et al . Stable Operation of Induction 参数自调整与优化的研究[ 1] 。 Type Bearingless Motors Under Loaded Conditions [J ] . 在高速运转的轴承中, 线性模型只适用于转 IEEE Trans. Industry Application , 1997 , 33 ( 4 ) : 919 - 子位移较小的情况, 对于大气隙的转子系统来说, 924 . 基于线性模型基础上设计的控制器不能达到预期 [6 ] Mukhopadhyay S C , T Ohjj , Iwahara M , Yamada S. De 效果甚至可能起到相反的作用; 且随着转子系统 sign ,analysis and control of a new repulsive - type magnet ic bearing system [J ] . IEE proc . Electr . Power Appl . 1999 , 复杂性的提高, 其精确模型不易获得, 故需要采用 46 ( 1) :33 - 40 . 更为先进的控制方法 。目前非线] Hsu , Chan - Tang ,Chen ,Shyh - Leh. Exact linearization of a 控制已成为磁悬浮领域研究的热点 。在现代控制 voltage - controlled 3 - pole active magnetic bearing system 领域中, 鲁棒控制对模型的精确度要求较低, 且可 [J ] . IEEE Transactions on Control Systems Technology , 2002 , 适用于非线性系统 。常用的控制算法有自适应控 ( ) 10 4 :618 - 625. ∝ μ [8] Yoshimoto T. Eddy Current Effect in Magnetic Bearing Model 制 、模糊控制 、滑模控制 、H 控制 、 - 综合控制 等 。它们针对模型的不确定性具有良好的控制效 [J ] . IEEE Transactions on Magnetics , 1992 ,28 (2) : 1605 - 果, 而不同的控制算法针对的不确定因素不同。