交流磁軸承原理及研究發(fā)展現(xiàn)狀

黃振躍，魏杰，朱熀秋

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

磁懸浮軸承(簡稱磁軸承)是利用電磁力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間無機械接觸的一種新型軸承，因此其具有無摩擦、無磨損、不需潤滑及密封、高速、高精度及長壽命等優(yōu)點，改變了傳統(tǒng)的接觸支承形式[1]。按功放控制電流類型分類，可將磁軸承分為直流式與交流式。直流式磁軸承功率放大器價格高，體積大,一個徑向磁軸承通常需要四路單極性功率放大電路[2-4]；而交流式磁軸承采用交流三相功率逆變器給控制線圈繞組提供勵磁電流，一個三相功率逆變器就可完全控制徑向兩個自由度，且三相逆變器應(yīng)用技術(shù)成熟、價格便宜、體積小巧，采用矢量控制策略，易于控制系統(tǒng)軟件的編程與移植，從而整體上減小了磁軸承控制系統(tǒng)成本[5-8]。因此，交流式磁軸承在磁軸承電主軸系統(tǒng)、無軸承電動機、高速飛輪儲能系統(tǒng)等需磁懸浮支承的高速運動場合具有很好的應(yīng)用前景。

1 交流磁軸承系統(tǒng)組成及其基本原理

一個剛體在空間的運動包括平動和轉(zhuǎn)動，共6個自由度[9]。文中描述的主動磁軸承的狀態(tài)是繞主軸即z方向轉(zhuǎn)動，從而需對余下的5個自由度進行控制，這就要求有兩個徑向軸承(各負(fù)責(zé)x，y兩個方向)和一個軸向軸承(負(fù)責(zé)z方向)，由此構(gòu)成一個完整的電磁軸承系統(tǒng)。

這里以一個交流兩自由度混合磁軸承為例來說明其工作原理[7-8, 10]。圖1為交流兩自由度混合磁軸承的工作原理圖。交流磁軸承的工作原理是基于無軸承電動機的原理，使轉(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)P1為0，懸浮力繞組極對數(shù)P2為1，滿足徑向懸浮力產(chǎn)生的條件P2=P1±1，采用三相功率逆變器對懸浮力繞組提供驅(qū)動電流，因而這種結(jié)構(gòu)的無軸承電動機實際就變成了只產(chǎn)生徑向懸浮力的磁軸承[8,10-11]。根據(jù)電動機理論，三相繞組通上三相交流電后，可產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，形成一個單極合成磁通。當(dāng)磁軸承受到徑向擾動時，轉(zhuǎn)子偏離徑向參考平衡位置，位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的徑向偏移位置x與y，并反饋至徑向控制器，與參考平衡位置x*及y*相比較后，控制器計算出轉(zhuǎn)子的偏移量x與y，再將其轉(zhuǎn)變成控制信號，通過電流跟蹤功率逆變器(CRPWM)對徑向3個控制線圈提供三相控制電流ia，ib和ic，使得徑向三相繞組中控制電流產(chǎn)生的合成單極磁通可指向與位置偏移相反的方向，產(chǎn)生相應(yīng)的徑向磁懸浮力，使轉(zhuǎn)子回到徑向平衡位置。

圖1 交流兩自由度混合磁軸承的工作原理

2 交流磁軸承的分類和特點

2.1 主動式和混合式

交流磁軸承按懸浮力產(chǎn)生的原理分類，可分為主動式磁軸承[2-3,5,7]與混合式磁軸承[4,6,8]。產(chǎn)生靜態(tài)懸浮力的磁通稱之為偏置磁通；產(chǎn)生動態(tài)懸浮力，即以克服擾動或負(fù)載的磁通稱之為控制磁通。

主動式磁軸承(Active Magnetic Bearing，AMB)采用電磁鐵同時提供偏置磁通及控制磁通，可提供較大靜態(tài)承載力。但由于線圈安匝數(shù)大，因而體積較大，且在穩(wěn)態(tài)懸浮時，仍然依靠功率放大電路提供偏置磁通，因而耗能高，損耗大。目前研究比較多的為三相交流主動磁軸承[7,10,12]，如圖2所示，該磁軸承由帶有3個磁極的定子鐵心、三相勵磁線圈和轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成。當(dāng)三相勵磁線圈通入三相交流電后產(chǎn)生的合成懸浮力等于轉(zhuǎn)子鐵心自身的重力和外部干擾力時，該交流磁軸承轉(zhuǎn)子可實現(xiàn)懸浮。目前國內(nèi)江蘇大學(xué)主要研究這種結(jié)構(gòu)的磁軸承，國外研究這種結(jié)構(gòu)的有西班牙納瓦拉大學(xué)和韓國科技研究所。區(qū)別于三極結(jié)構(gòu)磁軸承，還有一種六極結(jié)構(gòu)的交流主動磁軸承[13]，如圖3所示，該交流主動磁軸承是由3個U形鐵心配以三相勵磁線圈的定子和轉(zhuǎn)子組成，其工作原理和上述磁軸承相同。

圖2 三相交流主動磁軸承結(jié)構(gòu)圖

圖3 交流主動異極磁軸承結(jié)構(gòu)圖

混合式磁軸承(Hybrid Magnetic Bearing，HMB)是依靠永磁體來提供偏置磁通，即永磁體產(chǎn)生的磁力支承轉(zhuǎn)子的自重，而電磁鐵只需提供控制磁通，保證轉(zhuǎn)子在受到干擾時能夠回到原來的懸浮位置；因而，其功放體積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)態(tài)運行時耗能小，損耗低[4,6,8-9]。目前國內(nèi)研究的結(jié)構(gòu)有雙片(3×2)六極交流兩自由度混合磁軸承[8]，如圖4所示。該磁軸承的定子由兩片相同的三相交流主動磁軸承疊加起來，這樣控制線圈(勵磁線圈)就有兩組，兩組控制線圈分別串聯(lián)連接，兩定子鐵心之間加入永磁體，產(chǎn)生偏置磁通，當(dāng)外界沒有干擾，靜態(tài)懸浮時，偏置磁通可以使轉(zhuǎn)子懸浮于中心位置；當(dāng)受到干擾時，兩組線圈同時通電產(chǎn)生與干擾力方向相反的磁力將轉(zhuǎn)子拉回到原來的中心位置。國內(nèi)主要研究機構(gòu)是江蘇大學(xué)。還有一種六極式交流兩自由度混合磁軸承[14]，如圖5所示，通過在其中3個極上嵌入永磁體，來產(chǎn)生偏置磁通；另外3個極纏繞三相控制線圈，當(dāng)轉(zhuǎn)子受到干擾時用來控制轉(zhuǎn)子依然懸浮于平衡位置，國外研究的機構(gòu)主要是韓國科技研究所。

圖4 交流兩自由度混合磁軸承結(jié)構(gòu)圖

圖5 三相交流混合磁軸承結(jié)構(gòu)圖

2.2 異極式和同極式

磁力線垂直于轉(zhuǎn)子軸線的磁軸承叫異極式磁軸承，在這種結(jié)構(gòu)形式中，磁軸承與電動機相似，易于制造。所以目前大多數(shù)磁軸承采用異極式，但是該結(jié)構(gòu)缺點是磁滯損耗比較大，因此，為了使磁滯損耗盡可能地小，轉(zhuǎn)子必須是疊片式的，即轉(zhuǎn)子的磁作用部分必須由壓緊的圓形沖片疊片而成。由于機械系統(tǒng)的仿真、控制系統(tǒng)的設(shè)計和轉(zhuǎn)子運動的測量通常都是建立在直角坐標(biāo)軸的基礎(chǔ)上，為了使軸承的控制得以簡化，徑向磁軸承的布局一般都采用3極結(jié)構(gòu)形式[10,14]，如圖2所示。在大型磁軸承的應(yīng)用場合中，有時可以采用增加磁極數(shù)目的辦法實現(xiàn)其目的。

磁力線平行于轉(zhuǎn)子軸線的磁軸承叫做同極式磁軸承。如圖6 所示。這種布局通常被稱為同極磁鐵，其磁滯損耗比較小，轉(zhuǎn)子可以不需要疊片[8]。這種結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于那些由于各種原因致使轉(zhuǎn)子不能采用疊片的場合。這種結(jié)構(gòu)采用四極電磁鐵，兩個自由度上同樣使用差動的結(jié)構(gòu)。

圖6 磁力線平行于轉(zhuǎn)子軸線

2.3 磁極數(shù)目

目前交流磁軸承中的磁極數(shù)目只有兩種：3極和6極。圖2和圖4為三極結(jié)構(gòu)磁軸承，圖3和圖5為6極結(jié)構(gòu)磁軸承。交流磁軸承大多采用三相功率逆變器給控制線圈繞組提供勵磁電流，一個三相功率逆變器就可完全控制徑向兩自由度，且三相逆變器應(yīng)用技術(shù)成熟、價格便宜、體積小巧，采用矢量控制策略，易于控制系統(tǒng)軟件的編程與移植，從而整體上降低了磁軸承控制系統(tǒng)成本。三極結(jié)構(gòu)不僅易于實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子徑向位移的集中控制，而且具有成本低、鐵損小、散熱性能好、繞組和傳感器安裝方便等優(yōu)點，在磁軸承系統(tǒng)、無軸承電動機、高速飛輪儲能系統(tǒng)等磁懸浮支承的高速運動場合具有很好的應(yīng)用前景。

3 交流磁軸承驅(qū)動方式和控制方法的研究現(xiàn)狀

3.1 交流磁軸承的驅(qū)動方式

目前交流磁軸承的驅(qū)動方式主要有三相逆變器驅(qū)動和矩陣變換器驅(qū)動兩種。

3.1.1 三相逆變器驅(qū)動

目前著力研究三相逆變器驅(qū)動的三極交流主動磁軸承的學(xué)者有德國克姆尼茨工業(yè)大學(xué)的Hofmann W[15]；國內(nèi)浙江大學(xué)和江蘇大學(xué)也在研究逆變器驅(qū)動式磁軸承[5,8]。

Hofmann W 針對三極徑向主動磁軸承(結(jié)構(gòu)如圖2所示)進行了穩(wěn)態(tài)分析，并在考慮電磁和機械變量之間的相互耦合關(guān)系情況下，設(shè)計出了單極主動磁軸承的控制系統(tǒng)。在不同的偏置電流下，控制系統(tǒng)取得了較好的解耦效果，圖7為逆變器驅(qū)動的三極徑向主動磁軸承主電路拓?fù)鋄15]。

圖7 逆變器驅(qū)動的三極徑向主動磁軸承主電路拓?fù)?/p>

國內(nèi)浙江大學(xué)研究的交流磁軸承結(jié)構(gòu)以及控制框圖與Hofmann W研究的類似，如圖8所示。

圖8 三相交流主動磁軸承的控制框圖

針對三極徑向主動磁軸承，浙江大學(xué)建立了其線性解析數(shù)學(xué)模型，并用有限元軟件Ansoft/Maxwell 2D/3D對其進行了原理性驗證。設(shè)計了滯環(huán)電流跟蹤型的三相功率控制電路，在dSPACE上進行了初步試驗。而且對功率逆變電路中的電壓反饋電路、電壓滯環(huán)比較電路、脈沖分配電路、故障輸出保護電路、智能功率模塊IPM以及相應(yīng)的接口電路進行了設(shè)計[5]。

江蘇大學(xué)研究了三極交流主動磁軸承和混合磁軸承[6-8,16]，主動磁軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示[7,16]，混合磁軸承結(jié)構(gòu)如圖4所示[6,8]，針對這兩種結(jié)構(gòu)介紹了三相逆變器驅(qū)動的交流磁軸承的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，用等效磁路法對該磁軸承的磁路進行了計算，得到了其懸浮力數(shù)學(xué)模型；根據(jù)試驗樣機懸浮磁力的要求，給出了試驗樣機材料選擇、參數(shù)設(shè)計和計算過程；利用有限元Ansoft軟件對該結(jié)構(gòu)磁軸承的磁場和轉(zhuǎn)子受力情況進行仿真驗算，并采用Matlab軟件對磁軸承懸浮力非線性和徑向兩自由度之間在平衡位置附近運動的耦合性進行了計算分析，并給出了詳細(xì)的控制框圖，如圖1所示。研究結(jié)果表明：這兩種磁軸承機械和磁路結(jié)構(gòu)合理，懸浮力滿足設(shè)計要求，且在平衡位置附近具有較好的線性和對稱性，徑向兩自由度之間幾乎沒有運動耦合。

3.1.2 矩陣變換器驅(qū)動

矩陣式變換器是一種先進拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的“全硅”功率變換器，它允許頻率單級變換，無需大容量的貯能元件，而且輸入電流、輸出電壓正弦，輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.99以上并可自由調(diào)節(jié)，能量可雙向流動。

這種驅(qū)動方式是2008年在日本舉行的第十一屆國際磁軸承會議中由西班牙Javier Vadillo提出來的[17]。當(dāng)時提出這種驅(qū)動方法是基于直接空間矢量調(diào)制策略并與傳統(tǒng)電壓源逆變器驅(qū)動方式進行了仿真比較，證實了這種新的驅(qū)動方法的合理性。對于矩陣變換器，運用快速Fourier分析證明了輸入濾波器的設(shè)計更加簡單、有效，造價更加低廉。整個系統(tǒng)與電網(wǎng)的關(guān)系顯著提高。與電壓源逆變器相比，矩陣變換器的這個重要特點以及牢固性強、靈活性能優(yōu)越等優(yōu)點都將使其成為未來電源應(yīng)用場所的新亮點，雖然只做了仿真試驗，但為今后國內(nèi)、外學(xué)者的研究提供了寶貴的參考依據(jù)。

3.2 交流磁軸承的控制方法

3.2.1 冗余坐標(biāo)法

韓國的Park S H提出采用冗余坐標(biāo)法對基于PD控制的交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)進行解耦，并針對推導(dǎo)的系統(tǒng)公式和提出的解耦控制策略，對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行了可控性分析。結(jié)果表明這種控制器可以使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min的穩(wěn)定懸浮，并具有良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能[18]。

3.2.2 滑?？刂品?/p>

西班牙學(xué)者Beizama A M 為了分析外部擾動作用于轉(zhuǎn)子的性能，對滑?？刂?SMC)和極點配置控制(PPC)下的三極徑向磁軸承的性能做了比較[19](圖9～圖10)。圖9～圖10表明，極點配置控制的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果不太吻合；然而滑?？刂品ǖ膬蓚€結(jié)果卻十分相似，證明了滑?？刂品ň哂懈呖煽啃砸约皫缀醪皇軈?shù)變化和模型動態(tài)性能影響的優(yōu)越性能。臺灣學(xué)者Chen Shyhleh針對電流控制三極磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)[20]，設(shè)計完成了3個控制器：線性狀態(tài)反饋控制器、基于反饋線性化的線性狀態(tài)控制器、滑?？刂破鳌?個控制器進行比較后，可以證明滑模控制器可以使系統(tǒng)產(chǎn)生最好的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能[20]。

圖9 滑?？刂婆c極點配置下的x方向上階躍響應(yīng)曲線

圖10 滑?？刂婆c極點配置下的暫態(tài)響應(yīng)曲線

3.2.3 基于INFORM方式的無傳感器控制法

基于INFORM方式的無傳感器控制法是由奧地利維也納工業(yè)大學(xué)的Hofer M 提出，并用于永磁偏置三相混合磁軸承的一種控制方法[21]。INFORM 方法是基于電壓注入法來進行轉(zhuǎn)子位置測量的。通過試驗，將無傳感器INFORM信號與傳感器信號進行比較，證明INFORM方法的可行性。測量的對比信號圖如圖11所示?？梢酝ㄟ^改變參數(shù)，比如偏置磁通、線圈匝數(shù)、鐵心長度和轉(zhuǎn)子類型等，對混合磁軸承模型進行優(yōu)化，進而提高INFORM的控制性能。

圖11 轉(zhuǎn)子由x=-0.4 mm到中心位置的位移信號圖

3.2.4 基于卡爾曼濾波器的位移自檢測控制法

卡爾曼濾波器的位移自檢測控制是由日本九州大學(xué)的Matsuda K于2006年提出的[22]。這種方法通過引入卡爾曼濾波器來解決視角偏差問題。為了證明這種方法的有效性，開發(fā)了一個用于估算三極磁軸承徑向位移和轉(zhuǎn)速的卡爾曼濾波器。通過一個線性功率放大器電路驅(qū)動，使電流流入線圈。線圈端部電壓以100 Hz的截止頻率通過一個模擬的一階低通濾波器。設(shè)計的卡爾曼濾波器運用濾過的線圈電壓和控制器輸入量作為計算評估的輸入；非視角偏差則作為未知狀態(tài)?？柭鼮V波器通過測出的輸入、輸出數(shù)據(jù)進行數(shù)字仿真。結(jié)果表明，偏差的確和預(yù)測的測量值產(chǎn)生重疊。

3.2.5 傳統(tǒng)PID控制法

傳統(tǒng)的PID控制法是目前用得最多的磁軸承控制方法，國內(nèi)江蘇大學(xué)運用傳統(tǒng)PID控制法已經(jīng)實現(xiàn)多個交流磁軸承試驗臺的穩(wěn)定懸浮[6]。比較有代表性的就是交流三自由度混合磁軸承試驗臺(圖12)以及交流兩自由度混合磁軸承試驗臺。

圖12 交流三自由度混合磁軸承試驗臺

4 交流磁軸承的發(fā)展趨勢

磁軸承技術(shù)目前在機械行業(yè)及航空航天等領(lǐng)域有部分應(yīng)用。交流磁軸承的發(fā)展趨勢主要集中在以下方面。

(1)由于交流磁軸承采用三級結(jié)構(gòu)，其徑向兩自由度位移控制之間存在耦合。因此，需要采用非線性多變量解耦控制策略，研究實現(xiàn)交流磁軸承高精度多變量的解耦控制。

(2)交流磁軸承無傳感器技術(shù)研究。通過辨識磁軸承線圈中的電流或電壓變化，間接獲取位移的變化量，而不需要位移傳感器，因此，能降低成本、減小體積、提高系統(tǒng)可靠性，在工業(yè)上有很廣闊的應(yīng)用前景。

(3)控制系統(tǒng)的智能化、集成化發(fā)展。為了滿足磁軸承應(yīng)用上的高性能、高可靠性和低成本，磁軸承控制系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、集成化發(fā)展是必然趨勢，尤其是電子元器件和機械電子器件的小型化趨勢。

(4)交流磁軸承的工業(yè)應(yīng)用。研究磁軸承的最終目的是工業(yè)應(yīng)用，由于具有多種優(yōu)點，磁軸承的應(yīng)用行業(yè)正迅速從傳統(tǒng)的渦輪機械、高速機床等行業(yè)向新行業(yè)突破，如人工心臟血液泵、干燥機、精密位置平臺及計算機硬盤等應(yīng)用領(lǐng)域。

5 結(jié)束語

交流磁軸承具有整體體積小、重量輕、效率高及成本低等特點，在各類懸浮支承領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。文中從交流磁軸承的系統(tǒng)組成、工作原理、分類及特點、驅(qū)動方式和控制方法等不同角度對交流磁軸承進行了詳盡分類與比較，分析和討論了幾種典型的交流磁軸承，總結(jié)和歸納了目前的控制方法和驅(qū)動方式，指出了交流磁軸承的研究發(fā)展方向。