磁軸承在船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

祁立波,周 瑾,余 越,林長(zhǎng)剛

（1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,江蘇 無(wú)錫 214082;2.深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214082;3.深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214082;4.南京航空航天大學(xué),南京 210016）

0 引 言

機(jī)械噪聲、水動(dòng)力噪聲、螺旋槳噪聲是船舶的三大噪聲源。螺旋槳噪聲包括其直發(fā)聲及螺旋槳非定常力通過(guò)軸系激勵(lì)船體產(chǎn)生的耦合振動(dòng)噪聲。正常航速工況下，水動(dòng)力噪聲和螺旋槳直發(fā)聲還不明顯，因此，隨著機(jī)械噪聲控制技術(shù)的不斷成熟，螺旋槳非定常力引起的推進(jìn)軸系激勵(lì)船體產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲越來(lái)越突出。我國(guó)最先進(jìn)的水下船舶通過(guò)正常航行和同航速停車(chē)滑行工況對(duì)比分離，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)噪聲是主要噪聲分量，約占總噪聲能量的70%以上，是進(jìn)一步降低我國(guó)船舶噪聲水平的控制重點(diǎn)。船舶推進(jìn)軸系通過(guò)徑向軸承和推力軸承與船體相連，如圖1 所示。船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)噪聲包括徑向軸承處橫向激勵(lì)和推力軸承處縱向激勵(lì)船體產(chǎn)生的耦合振動(dòng)噪聲。正常情況下，縱向激勵(lì)引起的振動(dòng)噪聲為主要分量，橫向激勵(lì)引起的也不可忽略。

圖1 某船舶推進(jìn)器-軸系-船體示意圖Fig.1 Propeller-shaft-hull coupled system

針對(duì)船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)噪聲，研究人員已開(kāi)展了豐富的研究[1-5]，并應(yīng)用了低噪聲推進(jìn)器、軸系縱向減振器、軸系動(dòng)力吸振器等多種控制措施[6-7]，取得了一定的控制效果，但仍未達(dá)到顯著降低的程度。隨著船舶探測(cè)手段向極低頻發(fā)展，船舶噪聲控制也需向極低頻拓展，其技術(shù)難度更大。為突破船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)噪聲控制技術(shù)瓶頸，需要打破傳統(tǒng)控制思路的束縛，研究廣泛的多學(xué)科融合的控制手段。

磁軸承，又名磁懸浮軸承，其工作原理如圖2所示。磁軸承系統(tǒng)[8]包括轉(zhuǎn)子、定子、傳感器、控制器和功率放大器。定子由電磁鐵組成，轉(zhuǎn)子懸浮在按徑向?qū)ΨQ(chēng)放置的電磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中。通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的位置變化，借助控制系統(tǒng)校正通過(guò)電磁鐵的電流，從而控制電磁鐵的磁力，使轉(zhuǎn)子在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)磁力的提供方式，磁軸承可分為：（I）有源磁軸承，也稱(chēng)主動(dòng)磁軸承，磁場(chǎng)是可控的，通過(guò)檢測(cè)被懸浮轉(zhuǎn)子的位置，由控制系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮，如圖2 所示；（II）無(wú)源磁軸承，也稱(chēng)被動(dòng)磁軸承，以永磁體或超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子部分自由度的支承；（III）混合磁軸承，包含了電磁體和永磁體或超導(dǎo)體。磁軸承的主要特征是無(wú)接觸微振動(dòng)、高精度低功耗、無(wú)需潤(rùn)滑、可實(shí)時(shí)進(jìn)行主動(dòng)控制。磁軸承的特征使其在航天姿態(tài)控制、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵、電機(jī)主軸等穩(wěn)定性、精度和振動(dòng)特性要求較高的高轉(zhuǎn)速、低載荷系統(tǒng)振動(dòng)控制中首先得到較多的應(yīng)用[9]。隨著一些高轉(zhuǎn)速、重載荷系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性、精度和振動(dòng)特性的要求越來(lái)越高，磁軸承在高轉(zhuǎn)速、重載荷系統(tǒng)的振動(dòng)控制中也逐漸得到了應(yīng)用。近年來(lái)，磁軸承在高溫氣冷堆氦風(fēng)機(jī)、氦氣輪機(jī)中的使用取得進(jìn)展[10-12]。某氦風(fēng)機(jī)[10]轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3 所示。某氦氣輪機(jī)[11]軸向磁軸承的設(shè)計(jì)承載力達(dá)9.8 kN，氣隙為0.7 mm；徑向磁軸承的設(shè)計(jì)承載力達(dá)1.96 kN，定轉(zhuǎn)子間氣隙為0.6 mm。隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展和對(duì)船舶低轉(zhuǎn)速、重載荷的軸系振動(dòng)噪聲控制的迫切需求，磁軸承應(yīng)用在低轉(zhuǎn)速、重載荷系統(tǒng)振動(dòng)控制中成為可能。

圖2 磁軸承原理圖Fig.2 Operating principle diagram of magnetic bearing

圖3 某氦風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖[10]Fig.3 Structure diagram of helium fan rotor[10]

采用徑向磁軸承和推力磁軸承控制低轉(zhuǎn)速、重載荷的船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)噪聲具有廣闊的前景：

（1）控制軸與徑向軸承相對(duì)位置，避免軸與軸承的接觸，從根本上消除軸與軸承的摩擦激勵(lì)。

（2）推力磁軸承的縱向剛度可以根據(jù)需求隨時(shí)進(jìn)行大范圍的參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)整，一方面，可實(shí)現(xiàn)船上目前采用軸系縱向減振器達(dá)到的降低軸系縱向安裝頻率，控制槳軸系統(tǒng)對(duì)船體的縱向非定常激勵(lì)力的目的；另一方面，可通過(guò)縱向剛度的調(diào)整，改變本船“聲紋”特征，降低我方船舶被敵方識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）通過(guò)磁軸承測(cè)量-反饋的主動(dòng)控制系統(tǒng)，可對(duì)軸系進(jìn)行力的補(bǔ)償，將軸系對(duì)船體的激勵(lì)力控制在較小的幅值范圍內(nèi)，顯著降低軸系激勵(lì)船體引起的振動(dòng)噪聲。

1 磁軸承研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外磁軸承研究

上世紀(jì)60 年代初，美國(guó)首先在空間制導(dǎo)和慣性輪上成功地使用了磁軸承。90 年代末，美國(guó)成功研制了能夠在510 ℃高溫下工作的磁軸承系統(tǒng)。隨后，磁軸承在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵、各類(lèi)定位系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置、空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)、電機(jī)主軸等裝置上獲得了大量應(yīng)用。

1969 年，法國(guó)開(kāi)始對(duì)磁軸承進(jìn)行研究，并在1972 年將第一個(gè)磁軸承用于衛(wèi)星導(dǎo)向輪的支承上。1986 年，日本在火箭上進(jìn)行了磁軸承飛輪的空間實(shí)驗(yàn)。各航天強(qiáng)國(guó)都對(duì)磁軸承的研究與制造開(kāi)展了大量的工作。目前國(guó)外能夠?qū)崿F(xiàn)磁軸承的制造和應(yīng)用的公司主要有美國(guó)的NASA 和Waukesha、法國(guó)的S2M、日本的精工、瑞士的MECOS、德國(guó)的LEViTEC，以及加拿大的REVOLVE等。

Sortore 等[13]對(duì)傳統(tǒng)的主動(dòng)型磁軸承與混合型磁軸承的功率損耗進(jìn)行了對(duì)比，其研制的轉(zhuǎn)速達(dá)23000 r/min 的磁軸承電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)的全電磁型磁軸承支承時(shí)系統(tǒng)的功率損耗為500 W，而采用混合型磁軸承支承時(shí)系統(tǒng)的功率損耗僅為207 W。

Honeywell 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)公司、REVOLVE 磁軸承有限公司及美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合成功研制了功率為250 kW、轉(zhuǎn)速達(dá)42 000 r/min 的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了兩個(gè)混合型徑向磁軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸徑向四個(gè)自由度懸浮，采用一個(gè)全電磁型軸向磁軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸軸向自由度的懸浮[14]。

Rao 等[15]分別研究了磁軸承的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)剛度，并提出了基于此兩種剛度的磁軸承的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。Nataraj等[16]通過(guò)對(duì)八極式的磁軸承的理論建模，分析得到了與控制算法無(wú)關(guān)的電磁力計(jì)算公式，得出了電磁力與位移交叉耦合的結(jié)論。

Said等[17]研究了磁軸承轉(zhuǎn)子與定子動(dòng)態(tài)力，并進(jìn)行了軸系的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，如圖4～5所示，理論預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好；Singh等[18]開(kāi)展了主動(dòng)磁軸承在轉(zhuǎn)子疲勞裂紋檢測(cè)方面的應(yīng)用研究；Salet等[19]開(kāi)展了主動(dòng)磁軸承轉(zhuǎn)子與定子接觸相關(guān)的測(cè)量與檢驗(yàn)研究。

圖4 某軸系臺(tái)架磁軸承[17]Fig.4 Magnetic bearing of a shafting bench[17]

圖5 磁軸承軸與軸承動(dòng)態(tài)力示意圖[17]Fig.5 Dynamic forces of shaft and magnetic bearing[17]

1.2 國(guó)內(nèi)磁軸承研究

我國(guó)從上世紀(jì)80 年代開(kāi)始磁軸承的研究。目前國(guó)內(nèi)許多科研院校，如清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、武漢理工大學(xué)、上海大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、山東大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)和江蘇大學(xué)等都在開(kāi)展磁軸承方面的研究。

1988年，陳易新等[20]研究了主動(dòng)磁軸承機(jī)床主軸控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，這是國(guó)內(nèi)首次對(duì)主動(dòng)磁軸承全懸浮機(jī)床主軸從結(jié)構(gòu)到控制進(jìn)行的系統(tǒng)研究；1989年，楊泉林等[21]采用狀態(tài)反饋原理探討了磁控制的多自由度解耦問(wèn)題；高振金等[22]利用磁荷庫(kù)侖定律對(duì)磁軸承的徑向磁力做了分析和計(jì)算，提出的方法更易于理解；1994 年，吳國(guó)慶等[23]在機(jī)電與控制實(shí)驗(yàn)室成功研制臥式五自由度磁軸承系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速高達(dá)53200 r/min。

梅磊[24]對(duì)三種混合型磁軸承（軸向、徑向、軸向-徑向）具體的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，在對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以最大懸浮力為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以軟磁材料內(nèi)部磁場(chǎng)不飽和為約束條件，以體積最小為優(yōu)化目標(biāo)，推導(dǎo)出了其軟磁材料、永磁材料及控制繞組的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化公式，并以MATLAB為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出了界面友好、操作簡(jiǎn)單的混合型磁懸浮軸承參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化軟件。

近期，周瑾等[25]提出了一種主動(dòng)磁軸承的剛度和阻尼參數(shù)識(shí)別方法，針對(duì)如圖6 所示的磁軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和模型實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果的一致性驗(yàn)證了該識(shí)別方法的有效性。金超武等[26]研究了實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)主動(dòng)磁軸承剛度和阻尼參數(shù)的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；徐園平等[27]開(kāi)展了主動(dòng)磁軸承作為激振器在缺陷檢測(cè)和故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用研究；王俊亭等[28]開(kāi)展了徑向磁軸承動(dòng)態(tài)剛度系數(shù)特性及X和Y方向的耦合研究。

圖6 某磁軸承軸系臺(tái)架[25]Fig.6 Shafting bench of magnetic bearing[25]

國(guó)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)磁軸承的制造與應(yīng)用的公司主要有天津飛旋科技有限公司和南京磁谷科技有限公司等。天津飛旋科技有限公司以清華大學(xué)為技術(shù)后盾，在國(guó)內(nèi)率先成功研發(fā)了一種適用于集成電路裝備應(yīng)用的五自由度控制分子泵磁軸承，并在2007年8月成功研制了國(guó)內(nèi)首個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁分子泵。飛旋公司某電機(jī)磁軸承如圖7所示。另外，南京磁谷科技有限公司依托南京航空航天大學(xué)磁應(yīng)用技術(shù)研究所的科研力量，成功完成多型大功率高轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)設(shè)備和高速高效一體化流體機(jī)械設(shè)備，其自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)磁離心鼓風(fēng)機(jī)在污水處理廠(chǎng)成功連續(xù)運(yùn)行。

圖7 飛旋公司某電機(jī)磁軸承Fig.7 Magnetic bearing for motor of Emaging Company

2 船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)控制中的磁軸承研究

2.1 國(guó)外船舶推進(jìn)軸系磁軸承研究

上世紀(jì)60 年代國(guó)內(nèi)外對(duì)船舶推進(jìn)軸系磁軸承開(kāi)展了豐富的相關(guān)研究，但能查閱的公開(kāi)資料較少。上世紀(jì)80年代美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)Lewis等[29-30]開(kāi)展了船舶推進(jìn)軸系推力磁軸承研究，其推力磁軸承方案如圖8所示。推力磁軸承采用經(jīng)典的控制理論，取得了顯著的控制效果，并分析了推進(jìn)器質(zhì)量等參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)并建立了船舶推進(jìn)軸系的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)理論進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)磁軸承主動(dòng)控制系統(tǒng)的有效調(diào)節(jié)，軸系產(chǎn)生的激勵(lì)力幅值能夠降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖8 推力磁軸承方案[29-30]Fig.8 Propulsion system with magnetic thrust bearing[29-30]

法國(guó)海軍學(xué)校研究所Charpentier 和Fadli 等[31]利用永磁軸承通過(guò)非接觸方式傳遞電機(jī)扭矩，以保持螺旋槳軸向位置，并對(duì)兩類(lèi)典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了基于磁力理論的半解析模型，驗(yàn)證了磁軸承的控制效果。

Bompos 等[32]研究了一種磁流變液作為軸系軸承的智能潤(rùn)滑劑，分析了磁流變液和非磁流體阻尼器對(duì)軸系振動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)磁流變液能夠有效降低軸系縱向振動(dòng)幅值近80%。

Kim 等[33]分析了機(jī)械或裝配誤差對(duì)磁軸承軸系振動(dòng)特性的影響。磁軸承主動(dòng)控制系統(tǒng)需要充分考慮軸系的安裝精度，有利于精確控制磁軸承的間隙，使得磁軸承控制系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性。

Norihisa 等[34]分析了汽車(chē)發(fā)電機(jī)軸系磁軸承的振動(dòng)特性。發(fā)電機(jī)軸系與船舶推進(jìn)軸系類(lèi)似，都具有旋轉(zhuǎn)葉片和主軸。分析了葉片的固有頻率與軸本身的固有頻率對(duì)軸系耦合振動(dòng)特性的影響。指出在軸系的設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮葉片的固有頻率。

巴斯大學(xué)[35]為了控制船舶推進(jìn)器產(chǎn)生的激勵(lì)力傳遞到船體，提出采用磁軸承對(duì)推進(jìn)器傳動(dòng)軸進(jìn)行軸向振動(dòng)隔離，并進(jìn)行了仿真分析，給出了控制效果。

波蘭格但斯克工業(yè)大學(xué)[36]將Halbach 結(jié)構(gòu)的混合磁軸承應(yīng)用于船舶推進(jìn)器，試驗(yàn)結(jié)果表明，磁軸承不僅能夠提供較高的支承剛度，還避免了傳統(tǒng)軸承帶來(lái)的高額維護(hù)成本。

2.2 國(guó)內(nèi)船舶推進(jìn)軸系磁軸承研究

國(guó)內(nèi)關(guān)于磁軸承在船舶機(jī)械設(shè)備等振動(dòng)控制中的應(yīng)用已開(kāi)展了部分研究[37-43]，關(guān)于磁軸承在船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)噪聲控制中的研究剛起步。傳統(tǒng)的磁軸承控制系統(tǒng)以軸系運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，即軸心軌跡區(qū)間范圍最小為控制目標(biāo)，而船舶推進(jìn)軸系用磁軸承綜合控制方案以軸系對(duì)船體的激勵(lì)力最小為綜合優(yōu)化的控制目標(biāo)。磁軸承控制系統(tǒng)可以通過(guò)測(cè)量反饋，不斷調(diào)整支承剛度，控制軸心軌跡在較大的區(qū)間范圍內(nèi)，以獲得軸系對(duì)船體激勵(lì)力最小的控制目標(biāo)。軸心軌跡區(qū)間范圍的限制不影響軸系正常運(yùn)轉(zhuǎn)功能即可。

海軍工程大學(xué)王東等[44]對(duì)船用磁軸承關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，指出了船舶適應(yīng)性、可靠性和低承載力密度是制約船用磁軸承發(fā)展的難點(diǎn)。同時(shí)指出，減振降噪是未來(lái)船用磁軸承重要技術(shù)方向之一。

楊志榮[45]開(kāi)展了基于磁流變彈性體的艦船軸系縱向振動(dòng)的半主動(dòng)控制研究，利用磁流變彈性體設(shè)計(jì)了一款磁流變彈性體半主動(dòng)式動(dòng)力吸振器對(duì)推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)控制，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，如圖9所示，驗(yàn)證其移頻特性和吸振效果。

圖9 推進(jìn)軸系和磁流變彈性體動(dòng)力吸振器[45]Fig.9 Propulsion system with magnetic dynamic vibration absorber[45]

上海交通大學(xué)覃會(huì)等[46]針對(duì)推進(jìn)軸系引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲問(wèn)題，提出可以描述電磁軸承的計(jì)算模型，分析不同轉(zhuǎn)速下的力傳遞特性，減小螺旋槳振動(dòng)通過(guò)軸系向殼體傳遞。

海軍工程大學(xué)[47]提出了基于磁軸承的船舶動(dòng)力設(shè)備及推力軸承集成隔振系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真分析，得到了顯著的控制效果。海軍工程大學(xué)李賀等[48]開(kāi)展了船用永磁推力軸承軸向承載特性研究，針對(duì)一種新的徑向磁化永磁推力軸承，使用虛位移法及線(xiàn)性疊加原理，得出了新型永磁推力軸承的數(shù)學(xué)解析模型。模型表明，在小間隙工況下，軸向承載力隨氣隙的增大而減??；間隙固定時(shí)，軸向承載力隨軸向位移增加先增大后減小，存在最大承載力。并利用有限元法對(duì)軸向磁力進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果與解析結(jié)果基本吻合。

近期祁立波和周瑾等開(kāi)展了磁軸承軸系臺(tái)架試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了磁軸承對(duì)船舶推進(jìn)軸系引起的船體振動(dòng)的控制效果。比較磁軸承采用傳統(tǒng)PID 控制和采用新型力補(bǔ)償主動(dòng)控制兩種工況軸系臺(tái)架軸承上的加速度響應(yīng)，驗(yàn)證采用磁軸承主動(dòng)控制后，軸承處加速度響應(yīng)顯著減小。磁軸承軸系臺(tái)架如圖10～11所示。以軸系對(duì)軸承的激勵(lì)力最小為控制目標(biāo)，即軸承處加速度響應(yīng)最小。軸系臺(tái)架同時(shí)包含徑向軸承和軸向軸承。加速度傳感器分別安裝在左右磁軸承座的上方測(cè)量振動(dòng)。采用電磁激振器進(jìn)行外部激振，如圖12所示。

圖10 磁軸承軸系臺(tái)架試驗(yàn)圖Fig.10 Test of a shafting bench of magnetic bearing

圖11 磁軸承軸系臺(tái)架轉(zhuǎn)子示意圖（轉(zhuǎn)子質(zhì)量14.56 kg，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度1.003 m）Fig.11 Rotor for the shafting bench of magnetic bearing(14.56 kg,1.003 m)

圖12 激振器激勵(lì)工況Fig.12 Excitation condition

對(duì)比采用傳統(tǒng)PID 控制方法與軸向陷波（軸向補(bǔ)償）和徑向軸向陷波（徑向和軸向同時(shí)補(bǔ)償）對(duì)基座振動(dòng)的影響。轉(zhuǎn)速取2000 r/min，激勵(lì)為2000 Hz 單頻激勵(lì)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13-15所示。2000 Hz處加速度響應(yīng)變化見(jiàn)表1。從圖中可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)磁軸承PID控制工況，磁軸承進(jìn)行軸向補(bǔ)償時(shí)，X、Y、Z方向基座處加速度響應(yīng)分別降低約0.7 dB、1.9 dB、2.5 dB；軸向與徑向同時(shí)補(bǔ)償時(shí)，X、Y、Z方向基座處加速度響應(yīng)分別降低約9.4 dB、11.5 dB 和8.1 dB。磁軸承軸系臺(tái)架振動(dòng)初步試驗(yàn)充分驗(yàn)證了磁軸承振動(dòng)控制效果，表明磁軸承應(yīng)用到船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)控制中無(wú)顛覆性技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

圖13 不同控制方法X方向加速度響應(yīng)比較Fig.13 Acceleration of X-direction under different control methods

圖14 不同控制方法Y方向加速度響應(yīng)比較Fig.14 Acceleration of Y-direction under different control methods

圖15 不同控制方法Z方向加速度響應(yīng)比較Fig.15 Acceleration of Z-direction under different control methods

表1 基座處加速度響應(yīng)比較（dB，參考值1× 10-6m/s2）Tab.1 Acceleration of the bases for magnetic bearings(dB,ref:1× 10-6m/s2)

3 總結(jié)與展望

隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展和對(duì)船舶振動(dòng)噪聲控制的迫切需求，磁軸承應(yīng)用在船舶振動(dòng)噪聲控制中成為可能。國(guó)內(nèi)磁軸承在船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)噪聲控制中的應(yīng)用研究剛剛起步，國(guó)內(nèi)多家單位已開(kāi)展磁軸承在船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)控制應(yīng)用中的相關(guān)研究，尤其是海軍工程大學(xué)已開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)研究，磁軸承在軸系振動(dòng)控制中應(yīng)用已不存在技術(shù)障礙。關(guān)于磁軸承在船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)控制應(yīng)用中相關(guān)的控制方法已開(kāi)展傳統(tǒng)的PID 控制方法相關(guān)研究。經(jīng)磁軸承軸系臺(tái)架振動(dòng)控制效果試驗(yàn)驗(yàn)證，磁軸承對(duì)軸系進(jìn)行徑向力和軸向力補(bǔ)償后，能夠顯著降低軸系引起的軸承處振動(dòng)。磁軸承在船舶推進(jìn)軸系減振降噪控制中的應(yīng)用有著較為廣闊的前景，未來(lái)對(duì)船舶推進(jìn)軸系用磁軸承的研究可以主要聚焦在以下方面：

（1）適用于船舶推進(jìn)軸系的磁軸承綜合控制系統(tǒng)：相較于傳統(tǒng)軸承系統(tǒng)，船舶推進(jìn)軸系具有重載、低轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)，推進(jìn)軸系重載的支承、非定常激勵(lì)力的控制、軸系支承點(diǎn)相對(duì)位移變化對(duì)軸系振動(dòng)影響規(guī)律，形成船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)噪聲磁軸承控制技術(shù)。

（2）重載荷磁軸承空間布置及散熱問(wèn)題：船舶推進(jìn)軸系一般需要提供數(shù)十噸的推力及支承力，對(duì)磁軸承的承載能力提出了較高的要求，需要對(duì)磁軸承承載力密度、優(yōu)化軸系結(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行研究。

（3）復(fù)雜工況下重載荷磁軸承失效保護(hù)，可靠性問(wèn)題：作為船舶推進(jìn)系統(tǒng)的組成部分，須具有在復(fù)雜環(huán)境中正常運(yùn)行的能力，針對(duì)外部風(fēng)浪、航速以及艙內(nèi)高溫、高濕等因素的影響，提出相應(yīng)的控制方法及系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，提高磁軸承系統(tǒng)可靠性，并通過(guò)輔助軸承等手段，使磁軸承失效后仍能暫時(shí)保持推進(jìn)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。