空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)波箔軸承和高速永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究?

舒行軍 徐 剛 鄭越青 崔海龍 藍(lán) 河

（中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所）

空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)波箔軸承和高速永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究?

舒行軍 徐 剛 鄭越青 崔海龍 藍(lán) 河

（中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所）

空氣動(dòng)壓箔片軸承是一種無(wú)油支承技術(shù)，沒(méi)有接觸摩擦，從根本上避免了滾動(dòng)支承的潤(rùn)滑油“高溫起霧”的難題，被認(rèn)為是支承技術(shù)的一場(chǎng)革命。本文針對(duì)某離心風(fēng)機(jī)對(duì)空氣動(dòng)壓箔片軸承的需求，重點(diǎn)研究了軸承的設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算、制造、表面涂層等技術(shù)，研制出了承載能力12.5kg的高速空氣動(dòng)壓軸承，并對(duì)軸承性能進(jìn)行了測(cè)試；同時(shí)，對(duì)高速大功率永磁電機(jī)及其控制技術(shù)進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)，研制出了不同功率的多套樣機(jī)；最后，將空氣動(dòng)壓軸承、高速電機(jī)、風(fēng)機(jī)葉輪等結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)制造了動(dòng)壓風(fēng)機(jī)原理樣機(jī)。

波箔軸承；鼓風(fēng)機(jī)；高速永磁電機(jī)；控制器；固體潤(rùn)滑涂層

0 引言

空氣動(dòng)壓軸承以空氣作為工作介質(zhì)，彈性平箔作為支承表面，彈性波箔作為支承部件。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于空氣的粘性和楔形的作用，在平箔與轉(zhuǎn)子表面之間產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，使平箔與波箔發(fā)生彈性變形，從而將平箔推開(kāi)，使轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)，周向氣體壓力的不均勻使箔片軸承具備了承受負(fù)載的能力[1-3]?？諝鈩?dòng)壓箔片軸承工作時(shí)無(wú)需潤(rùn)滑油，是一種無(wú)油支承技術(shù)[4]。同時(shí)運(yùn)動(dòng)副之間無(wú)接觸摩擦，從根本上避免了滾動(dòng)支承潤(rùn)滑油的“高溫起霧”問(wèn)題。因此，空氣動(dòng)壓軸承在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。

自上世紀(jì)70年代空氣動(dòng)壓軸承在高速透平產(chǎn)品上，實(shí)驗(yàn)獲得成功應(yīng)用以來(lái)，國(guó)外的風(fēng)機(jī)企業(yè)開(kāi)始嘗試將其應(yīng)用于離心式鼓風(fēng)機(jī)上，同時(shí)不斷融入其它新技術(shù)以提高風(fēng)機(jī)性能，例如采用三元高效葉輪、變頻調(diào)速、永磁無(wú)刷電機(jī)直連等。至上世紀(jì)末，高效節(jié)能且高度集成化的空氣動(dòng)壓軸承風(fēng)機(jī)產(chǎn)品問(wèn)世，宣告這一集成技術(shù)成功。在之后短短的十幾年時(shí)間，多家風(fēng)機(jī)企業(yè)推出自己的空氣動(dòng)壓軸承風(fēng)機(jī)產(chǎn)品。反觀國(guó)內(nèi)，空氣動(dòng)壓軸承的相關(guān)理論研究早已開(kāi)展，但受材料及工藝水平的制約，成型產(chǎn)品遲遲沒(méi)能面市。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所、西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位曾對(duì)波箔型和懸臂型空氣動(dòng)壓軸承進(jìn)行了大量研究，雖取得了一些進(jìn)展[5-9]，但是鑒于空氣動(dòng)壓軸承在結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇、材料性能、加工工藝水平和裝配精度等方面的要求，許多研究只限于理論分析而最終并沒(méi)有獲得應(yīng)用。目前，中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所瞄準(zhǔn)空氣動(dòng)壓軸承風(fēng)機(jī)的市場(chǎng)需求，對(duì)空氣動(dòng)壓軸承的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、高速永磁無(wú)刷電機(jī)及其控制技術(shù)、高速電主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、集成與調(diào)試技術(shù)等進(jìn)行了大量研究開(kāi)發(fā)，獲得了一些初步的成果。

1 空氣動(dòng)壓軸承風(fēng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)是以齒輪傳動(dòng)，各級(jí)齒輪傳動(dòng)中的機(jī)械摩擦產(chǎn)生較大的能量耗損，且噪聲問(wèn)題突出。空氣動(dòng)壓軸承風(fēng)機(jī)針對(duì)性的解決了這些問(wèn)題。如圖1所示，電機(jī)主軸與風(fēng)機(jī)葉輪共軸；高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)直接由空氣動(dòng)壓軸承支撐，無(wú)需齒輪箱、增速器、聯(lián)軸器等額外機(jī)構(gòu)；電機(jī)采用變頻器調(diào)速；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子與徑向軸承和止推軸承之間沒(méi)有物理接觸，無(wú)需額外潤(rùn)滑油系統(tǒng)。綜合以上因素，空氣動(dòng)壓軸承風(fēng)機(jī)具有高效、節(jié)能、低噪聲、運(yùn)行可靠、長(zhǎng)期無(wú)需維修保養(yǎng)和體積小等特點(diǎn)。這種風(fēng)機(jī)具有兩大核心技術(shù)：空氣動(dòng)壓軸承技術(shù)、高速永磁同步電機(jī)及其控制技術(shù)。

圖1 空氣動(dòng)壓風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of blower with foil bearing

2 空氣動(dòng)壓軸承的研制

根據(jù)風(fēng)機(jī)有關(guān)技術(shù)參數(shù)，對(duì)空氣動(dòng)壓軸承提出的設(shè)計(jì)要求如下：1）與永磁電機(jī)結(jié)合使用，兩端支撐，單個(gè)徑向軸承的承載不小于122.5N；止推軸承的承載不小于400N；2）電機(jī)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速n=18 750r/min；電機(jī)轉(zhuǎn)子主軸直徑為d=80mm；3）啟停次數(shù)（表征使用壽命）在10 000次以上。采用自編的空氣動(dòng)壓軸承設(shè)計(jì)程序，完成了波箔和平箔的詳細(xì)設(shè)計(jì)（如下圖5所示，為了設(shè)計(jì)及制造方便，徑向波箔片與止推波箔片的波拱采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)）。

為了進(jìn)一步獲取軸承性能，從理論上避免設(shè)計(jì)失誤，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了軸承性能的仿真驗(yàn)算。

在給定12.5kg的載荷下，計(jì)算了徑向軸承的升速過(guò)程，主要表征量包括偏位角、最小氣膜間隙。圖2給出了軸承升速過(guò)程中的軸心姿態(tài)角與最小氣膜間隙變化。從圖中可以看到：軸承在4 000r/min下能夠達(dá)到足夠的承載力，滿(mǎn)足承載力使用要求。在整個(gè)工作區(qū)間（由起飛轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速），其軸心姿態(tài)角小于45°，最小氣膜間隙大于10μm，滿(mǎn)足最小氣膜間隙與偏位角的要求。

圖2 升速過(guò)程中的姿態(tài)角與最小氣膜間隙變化圖Fig.2 the attitude angle as a function of rotational speed,the minimum gas film clearance as a function of rotational speed

另外，對(duì)軸承的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析（見(jiàn)圖3）。圖3仿真在給定固定偏心率下獲得，在4000～20000r/min的轉(zhuǎn)速范圍對(duì)應(yīng)的承載力在11.9～12.4kg，承載力變化并不大，給定偏心率是為簡(jiǎn)化仿真計(jì)算。圖3中，kxx和kyy是主剛度系數(shù)，kyx與kxy是交叉剛度系數(shù)，cxx和cyy是主阻尼系數(shù)，cyx與cxy是交叉阻尼系數(shù)。可以看出：在較高轉(zhuǎn)速下，總體剛度在2×106～3×106N/m（阻尼在～0.1×104N·s/m），該型軸承的理想剛度阻尼特性需要在較高轉(zhuǎn)速下才能表現(xiàn)出來(lái)，因此在其起飛（>4 000r/min）后的升速過(guò)程中，仍然可能經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定區(qū)域，這個(gè)區(qū)域大致可定位于4 000～10 000r/min，這給軸承實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)一定難度。根據(jù)仿真獲得的軸承剛度系數(shù)，可以估算該系統(tǒng)的1階共振頻率為63.7～70Hz之間，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為3 820～4 200r/min，軸承的1階共振頻率落在其起飛轉(zhuǎn)速附近，這意味著起飛前后會(huì)伴有較明顯振蕩，在控制策略上需要采用較大加速度快速通過(guò)，以保證盡快越過(guò)共振區(qū)間。

圖3 升速過(guò)程的動(dòng)態(tài)參數(shù)圖Fig.3 Stiffness coefficient as a function of the rotational speed

圖4 額定工況下的壓力、變形、氣膜分布Fig.4 The distribution of stress,deformation,air film in rated condition

徑向軸承額定工況下的壓力、變形與氣膜分布如圖4所示。從圖4中可以看出：在額定工況下軸承表面變形較小，軸承剛性偏強(qiáng)，體現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)思想，即保留了箔片軸承柔性抗振抗沖擊的特點(diǎn)，又通過(guò)適當(dāng)提高剛性增加承載力，同時(shí)高剛度使轉(zhuǎn)子偏心減小，以保證轉(zhuǎn)子對(duì)中度，從而減小高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)難度。另外，高剛度使軸承抵抗電機(jī)偏心磁拉力的能力得到加強(qiáng)，從而使其能夠與大功率高速永磁電機(jī)集成使用。

最后，根據(jù)設(shè)計(jì)，完成了箔片軸承的制造，制造出的實(shí)物如圖5所示。

圖5 研制的徑向與止推軸承圖Fig.5 radial foil and thrust bearing

用制造好的波箔，在壓力機(jī)上進(jìn)行了彈性測(cè)試，測(cè)得的載荷與位移之間的曲線如圖6所示。最大測(cè)試壓力設(shè)定為1 000N，預(yù)載5N使波箔的每個(gè)波拱與壓力機(jī)的上下壓塊真實(shí)接觸。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，波箔的載荷與位移呈明顯的非線性關(guān)系，這與San Andres等人研究結(jié)果相同[2]。初始段區(qū)間的剛度很小，隨壓縮量增大剛度不斷增加。多次彈性測(cè)試后箔高未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明該波箔具有較好的彈性，其最大承載超過(guò)負(fù)載1 000N，其彈性能夠滿(mǎn)足某風(fēng)機(jī)使用要求。

在動(dòng)壓箔片軸承啟停階段，由于轉(zhuǎn)速低于動(dòng)壓起飛的臨界轉(zhuǎn)速，軸承內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子之間存在接觸摩擦，雖然時(shí)間較短，但還是增大了啟動(dòng)與停止時(shí)的摩擦力，帶來(lái)了平箔片的磨損問(wèn)題，降低了使用壽命。為提高動(dòng)壓軸承的使用壽命，必須在軸承表面涂覆優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑涂層。為此，課題組提出一種巧妙的潤(rùn)滑方案——采用固體潤(rùn)滑軟膜作為軸承內(nèi)表面涂層。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，所使用的涂層使各個(gè)轉(zhuǎn)速階段的力矩都降低到很低的水平，涂層表現(xiàn)出很好的潤(rùn)滑效果，保障了啟停次數(shù)在10 000次以上。

圖6 箔片性能測(cè)試圖Fig.6 the performance test of foil

3 高速永磁同步電機(jī)及其控制器的研制

永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活，轉(zhuǎn)子形式多樣易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，因而圍繞永磁電機(jī)及其控制算法的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用一直是業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。永磁電機(jī)已經(jīng)在許多場(chǎng)合不可避免地取代傳統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)[9]。在動(dòng)壓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于采用的是具有柔性支撐的空氣動(dòng)壓軸承，對(duì)于永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)就不能簡(jiǎn)單套用傳統(tǒng)的永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，必須建立新的設(shè)計(jì)概念，研究新的分析計(jì)算方法，來(lái)提高設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確度。

針對(duì)這一關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，課題組通過(guò)不斷的改進(jìn)，先后設(shè)計(jì)、制造了幾種不同功率（8kW,55kW,75kW）的永磁高速直流電機(jī)（圖8，75kW），初步解決了高速電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子的設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題，電機(jī)轉(zhuǎn)、定子均采用精密加工，達(dá)到極高的加工精度，以確保轉(zhuǎn)子部件的對(duì)稱(chēng)性與平衡性，從而保證高速運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)通過(guò)保證軸承工作面的表面質(zhì)量與圓柱度，從而保證軸承動(dòng)壓性能。

圖7 平箔片涂層及其減膜效果圖Fig.7 the coating of foil and its effect

圖8 研制的永磁電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子與控制器圖Fig.8 The stator of motor,rotor and controller

為了驗(yàn)證空氣動(dòng)壓軸承支撐的永磁電機(jī)的性能，設(shè)計(jì)制造了以空氣動(dòng)壓軸承作為支撐、以高速永磁電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的全動(dòng)壓高速電機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)（圖9），系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率75kW，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速30 000r/min，實(shí)驗(yàn)測(cè)試最高工作轉(zhuǎn)速已達(dá)30 000r/min，并經(jīng)歷近萬(wàn)次啟停的軸承壽命測(cè)試，基本能滿(mǎn)足風(fēng)機(jī)的使用需要。

圖9 動(dòng)壓軸承支撐永磁電機(jī)樣機(jī)圖Fig.9 permanent magnet motor

電機(jī)控制上，針對(duì)箔片軸承的工作特點(diǎn)，采用獨(dú)特的控制策略。空氣動(dòng)壓軸承起飛前存在嚴(yán)重摩擦與碰撞，這使得阻力矩較大且不穩(wěn)定，這種工況下很難實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，因此在啟動(dòng)階段采用開(kāi)環(huán)控制，短時(shí)間內(nèi)輸入極大電流，強(qiáng)制拖動(dòng)電機(jī)同步提速，以使在短期內(nèi)獲得較高轉(zhuǎn)速。雖然大電流會(huì)帶來(lái)較大的發(fā)熱量，但由于提速很快，發(fā)熱量不會(huì)過(guò)度積累。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值后，控制器開(kāi)始采集位置信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電流最小化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并降低電機(jī)發(fā)熱量。

4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析的目的在于為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠性、各階特征、最大允許不平衡量提供一定參考，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、最大不平衡量的確定、控制策略等提供依據(jù)。本項(xiàng)目中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由葉輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子、前后軸套、止推盤(pán)、冷卻風(fēng)扇五個(gè)部分組成。

在ANSYS Workbench下，建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的三維有限網(wǎng)格模型如圖10所示?；趯?shí)際工況，明確材料特性參數(shù)、邊界約束條件、系統(tǒng)激勵(lì)以及求解對(duì)象，其中面剛度邊界支撐方式如圖11所示。面剛度確定基于仿真獲得的軸承主剛度。采用模態(tài)分析方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的特征頻率進(jìn)行求解，計(jì)算得到前三階模態(tài)特征頻率點(diǎn)為63.065Hz、83.538Hz、778.64Hz，對(duì)應(yīng)的振型如圖12所示。

圖10 有限元網(wǎng)格模型圖Fig.10 Rotor finite limited mesh model

圖11 面剛度邊界支撐方式圖Fig.11 Elastic support

圖12 模態(tài)頻率點(diǎn)及對(duì)應(yīng)振型圖Fig.12 The three modes frequency corresponding vibration types

在模態(tài)分析的技術(shù)上，采用諧響應(yīng)分析方法，求解系統(tǒng)在不平衡激勵(lì)下過(guò)臨界轉(zhuǎn)速的振動(dòng)特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)邊界約束條件及整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到有效抑制振動(dòng)的目的。在10mg動(dòng)不平衡量激勵(lì)下，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖13所示，即針對(duì)本文中的Φ80轉(zhuǎn)子，動(dòng)不平衡量允許在10mg左右。

圖13 不平衡響應(yīng)曲線Fig.13 Unbalance response curve

6 風(fēng)機(jī)樣機(jī)的系統(tǒng)集成

在各核心關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組完成了風(fēng)機(jī)樣機(jī)的投產(chǎn)、制造、安裝、調(diào)試等工作，風(fēng)機(jī)樣機(jī)的實(shí)物照片如圖14～17所示。

圖14 風(fēng)機(jī)樣機(jī)圖（去除后蓋照片）Fig.14 Blower model

圖15 研制的電機(jī)定子圖Fig.15 Stator of motor rotor

圖16 研制的電機(jī)轉(zhuǎn)子及三元流葉輪Fig.16 The motor rotor and 3D impeller

圖17 空氣軸承圖Fig.17 Air bearing

該套原機(jī)目前最高轉(zhuǎn)速可達(dá)30 000r/min，運(yùn)行后振動(dòng)小，基本達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)該套樣機(jī)，基本驗(yàn)證了研制空氣動(dòng)壓風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，具備了優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)、系列化研制空氣動(dòng)壓風(fēng)機(jī)、從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用的能力。

6 結(jié)論

1）長(zhǎng)期以來(lái)，受材料與工藝的制約，我國(guó)動(dòng)壓箔片軸承承載能力較低，未能獲得廣泛應(yīng)用。本文研制的Φ80空氣動(dòng)壓軸承單個(gè)承載能力高達(dá)13kg，具備了工業(yè)應(yīng)用能力。

2）對(duì)高速大功率永磁電機(jī)及其控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)，成功研制出了不同功率的多套樣機(jī)，已經(jīng)順利開(kāi)展了各項(xiàng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，為下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)及工業(yè)應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3）將空氣動(dòng)壓軸承、高速電機(jī)、葉輪等單元技術(shù)結(jié)合起來(lái)，并分別進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)制造了風(fēng)機(jī)樣機(jī)，具備系列化空氣動(dòng)壓風(fēng)機(jī)的研發(fā)能力，目前正在進(jìn)行小批量工程樣機(jī)的研制。

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Key Technologies for Centrifugal Blowers with Foil Bearings and High Speed Magnet Motor

Xing-jun ShuGang XuYue-qing ZhengHai-long CuiHe Lan
（Institute of Machinery Manufacturing Technology,CAEP）

Air foil bearings,which are oil-free support technology with negligible friction,can overcome many problems of rolling element bearings such as lubricant deterioration at high temperature,and bring a technological revolution in the high speed bearing field.To meet the requirements in centrifugal blower applications,air foil bearings with a load capacity of 12.5kg were designed,manufactured and tested.A high speed and high power permanent magnet motor and its control technology were investigated,and a series of foil bearing-supported high speed blowers with different powers were designed and manufactured.

foil bearing，centrifugal blower，high speed permanent magnet motor，controller，solid lubricant coating

TH133.3；TK05

1006-8155-(2017)02-0036-07

A

10.16492/j.fjjs.2017.02.0007

?項(xiàng)目資助：中物院應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)重大項(xiàng)目（K948-15-CLJ）；四川省戰(zhàn)略新興產(chǎn)品計(jì)劃項(xiàng)目(2011GZX0098)

2016-08-20 四川 綿陽(yáng) 621999