磁懸浮軸承發(fā)展及其研究綜述

周金宇，朱熀秋

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

0 引 言

磁懸浮軸承系統(tǒng)中，通過(guò)使用電磁力使得定轉(zhuǎn)子間無(wú)摩擦。因?yàn)閭鹘y(tǒng)機(jī)械軸承定轉(zhuǎn)子間相接觸，在轉(zhuǎn)速較高的情況下，摩擦損耗很大，從而降低其使用壽命。工業(yè)生產(chǎn)中為了減少其摩擦損耗，通常會(huì)使用潤(rùn)滑油，從而會(huì)造成有油污的問(wèn)題。因此磁懸浮軸承擁有著傳統(tǒng)機(jī)械軸承不可比擬的無(wú)摩擦損耗、清潔、機(jī)械壽命長(zhǎng)、超高速的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。近年來(lái)，隨著磁懸浮軸承的發(fā)展，磁軸承已在航空航天、民用工業(yè)、生命科學(xué)、交通運(yùn)輸方面均得到了應(yīng)用[3]。其產(chǎn)品有磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)、人工心臟泵、高速加工機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)等。但磁懸浮軸承也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)成本高的問(wèn)題，并且在超高速環(huán)境下的穩(wěn)定性問(wèn)題也日益突出。因此如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、高效性能的磁懸浮軸承成為了目前專家學(xué)者們的研究重點(diǎn)。因此從工作原理與分類、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、未來(lái)的發(fā)展對(duì)其綜述很有必要。

1 磁懸浮軸承工作原理與分類

常見(jiàn)的磁懸浮軸承可通過(guò)自由度不同、懸浮力提供方式不同或極對(duì)數(shù)不同進(jìn)行分類。本文以懸浮力的提供方式對(duì)其進(jìn)行了分類。

1.1 被動(dòng)磁軸承

在被動(dòng)磁軸承系統(tǒng)中，永磁體產(chǎn)生所需的全部磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行懸浮[4]。被動(dòng)磁軸承的工作原理為通過(guò)定、轉(zhuǎn)子永磁體間的吸力或斥力產(chǎn)生回復(fù)力。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要消耗功耗的優(yōu)點(diǎn)，因此受到了廣泛的關(guān)注。

1.2 主動(dòng)磁軸承

主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)由五部分組成：位置傳感器、執(zhí)行電磁鐵、被懸浮體、功率驅(qū)動(dòng)放大器、控制器。(其中，由于轉(zhuǎn)子位移自檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，位置傳感器也可以省略)。其具體的原理框圖如圖1所示。

圖1 主動(dòng)式磁懸浮軸承原理圖

主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)的原理為：假設(shè)轉(zhuǎn)子在給定位置穩(wěn)定運(yùn)行，突然系統(tǒng)受到一個(gè)小的擾動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子偏移了給定位置。此時(shí)，位移傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位移偏差并傳送給控制器?？刂破鲗?shù)字信號(hào)傳送給功率放大器使其原來(lái)的電流i0，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)變?yōu)閕0±i(正負(fù)由轉(zhuǎn)子位移的偏差決定)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位移的閉環(huán)控制，使其復(fù)位、穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 混合磁軸承

混合式磁軸承系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與主動(dòng)式磁軸承相比添加了永磁體或超導(dǎo)體來(lái)提供偏置磁通，并且加入了一些輔助軸承。因此與主動(dòng)磁軸承相比，結(jié)構(gòu)組成上較為復(fù)雜，但降低了匝數(shù)用料，做到了小體積、低功耗及低成本的需求[6]。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在理論研究方面，1842年，英國(guó)物理學(xué)家厄恩肖指出：要想實(shí)現(xiàn)被懸浮體在空間六個(gè)自由度上均可達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，單靠永磁體無(wú)法成功。1922年，德國(guó)坎伯提出了通電線圈對(duì)被懸浮體提供懸浮力的方法，并發(fā)表了首個(gè)磁懸浮軸承專利。其提出了磁懸浮列車這一新型交通方式的理念，并且為以后磁懸浮列車的發(fā)展提供了重要的理論模型。隨著磁懸浮理論的發(fā)展與進(jìn)步，磁懸浮其中一個(gè)方向——磁懸浮軸承的理論研究也得到了發(fā)展。上世紀(jì)60年代，日本梅森朗與金子禮對(duì)磁軸承理論進(jìn)行了總結(jié)與報(bào)告，并且對(duì)磁懸浮軸承進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，提出了電磁鐵可以提供可控磁場(chǎng)的概念。1960年后，隨著控制技術(shù)的日益成熟，磁懸浮軸承的巨大價(jià)值也受到了德國(guó)、日本、瑞士等國(guó)的關(guān)注，并在各種行業(yè)均有了應(yīng)用。

在航空航天領(lǐng)域，1976年，法國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)向飛輪中首次通過(guò)磁懸浮軸承代替了傳統(tǒng)機(jī)械軸承進(jìn)行支撐[7]。1983年，在空間飛輪實(shí)驗(yàn)中，日本技術(shù)人員將磁軸承技術(shù)運(yùn)用到了H-1火箭中，并取得了理想的結(jié)果。同年，美國(guó)研究人員于歐洲太空實(shí)驗(yàn)艙中將磁懸浮軸承技術(shù)引入到了真空泵中，并于1988年美國(guó)將研究磁懸浮軸承支撐的航空發(fā)動(dòng)機(jī)列入IH PTET計(jì)劃中。與普通的航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，采用磁懸浮軸承進(jìn)行多點(diǎn)或全點(diǎn)支撐的航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有著輕質(zhì)量、高效率的特點(diǎn)，并且有著良好的可靠性與維護(hù)性。1997年，為了促進(jìn)磁懸浮軸承技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的發(fā)展，歐洲國(guó)家組成了聯(lián)合研制小組，并制定了AMBIT的研究計(jì)劃。同一時(shí)期，美國(guó)的德雷伯實(shí)驗(yàn)室研制了一款工作溫度可達(dá)500攝氏度，最高轉(zhuǎn)速為22 000 r/min的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)的GE公司將磁懸浮的無(wú)傳感技術(shù)引入到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，極大的縮小了其重量以及體積。

在民用及工業(yè)領(lǐng)域，1976年，瑞士SKF軸承公司與法國(guó)SEP公司(現(xiàn)如今SAFRAN公司的航天引擎部)聯(lián)合創(chuàng)立了S2M公司。1977年，S2M公司自主研發(fā)了峰值轉(zhuǎn)速可達(dá)35 000 r/min的基于磁懸浮軸承技術(shù)的高速機(jī)床，并將其B20/500系統(tǒng)在1981年的歐洲國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上亮相[8]。1984年，日本NTN公司推出了高速磁懸浮銑削頭，并標(biāo)準(zhǔn)化了徑向與軸向磁軸承產(chǎn)品[9]。1991年，S2M公司與日立公司將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用到了離心壓縮機(jī)領(lǐng)域，其取消了油路設(shè)計(jì)，清潔了壓縮機(jī)的工作環(huán)境。2003年，McQuay公司在空調(diào)的冷式機(jī)組中，為了降低空調(diào)的噪聲，提高空調(diào)的性能，采用了基于磁懸浮軸承的離心式壓縮機(jī)。2015年，S2M公司在挪威近海域建造了世界上第一個(gè)使用磁懸浮軸承的海底天然氣壓縮站。

在人工心臟泵方面，與接觸式的第二代人工心臟泵相比，基于懸浮式支撐的第三代人工心臟泵能夠有效地降低泵內(nèi)血栓形成幾率，并且具有著無(wú)摩擦、高清潔的優(yōu)點(diǎn)[10]。20世紀(jì)初，科研人員對(duì)磁軸承心室輔助裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，目前，德國(guó)Berlin Heart公司的INCOR、日本Terumo DuraHeart、美國(guó)的HVAD與Levitronix CentriMag均已投入了使用。

目前，國(guó)外在磁軸承方面有突出貢獻(xiàn)的知名高校有蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、Sussex大學(xué)、東京大學(xué)、千葉大學(xué)、維吉尼亞大學(xué)、馬里蘭大學(xué)等。同時(shí)，為了加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流以及促進(jìn)磁懸浮軸承的發(fā)展，于1988年，來(lái)自英、美、日等國(guó)的專家召開(kāi)了第一屆國(guó)際磁懸浮軸承技術(shù)會(huì)議，并且至今保持著兩年召開(kāi)一屆的傳統(tǒng)。最近一次，2018年的第十六屆國(guó)際磁懸浮軸承技術(shù)會(huì)議在我國(guó)北京召開(kāi)，會(huì)議上我國(guó)國(guó)內(nèi)知名磁軸承企業(yè)中國(guó)動(dòng)力谷、南京磁谷、飛旋科技等均紛紛亮相。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于磁軸承的各項(xiàng)優(yōu)異性能，在20世紀(jì)70年代，磁懸浮軸承的研究工作也在國(guó)內(nèi)展開(kāi)。目前，國(guó)內(nèi)的磁懸浮軸承技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但磁懸浮軸承的產(chǎn)業(yè)化才剛剛起步。磁懸浮軸承的研究也主要集中于高校以及科研單位中，國(guó)內(nèi)主要研究磁懸浮軸承的高校為：清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、山東大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、西安理工大學(xué)、江蘇大學(xué)等。國(guó)內(nèi)在磁懸浮軸承方面有突出產(chǎn)品的公司有：飛旋科技、億昇科技、南京磁谷、海爾公司、格力公司等[11]。

2004年，清華大學(xué)在數(shù)控機(jī)床中引入了磁懸浮軸承技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了最高轉(zhuǎn)速可達(dá)50 000 r/min的成果。2006年，飛旋科技與清華大學(xué)合作，在FS450型分子泵磁軸承中使用了交叉反饋控制，這也是我國(guó)首個(gè)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁軸承技術(shù)。2009年，南京航天航空大學(xué)研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速可達(dá)40 000 r/min。同年，南京磁谷科技公司通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)，與南京航天航空大學(xué)的高科技成果進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，將磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)投入到了污水廠污水處理中，并且熱銷全國(guó)。海爾公司于2006年研制了磁懸浮中央空調(diào)，也由于磁懸浮技術(shù)使得其產(chǎn)品更加的節(jié)能、降噪，符合用戶的需求。另外，格力公司于2015年研制了CC系列磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組。在人工心臟泵方面，國(guó)內(nèi)也有了顯著的發(fā)展。2009年，山東大學(xué)與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院合作研制了國(guó)內(nèi)首個(gè)具有五自由度的全磁懸浮人工心臟泵樣機(jī)，其工作原理為徑向位置采用被動(dòng)磁軸承，軸向位置單端采用主動(dòng)磁軸承[12]。2013年，蘇州同心醫(yī)療器械公司成功研制了目前全球最小的離心式人工心臟泵磁懸浮樣機(jī)，極大的推動(dòng)了國(guó)內(nèi)磁軸承在生命科學(xué)方面的發(fā)展。

在國(guó)內(nèi)會(huì)議方面，中國(guó)磁懸浮軸承會(huì)議自2005年以來(lái)，每?jī)赡昱e行一次，如今已在清華大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、武漢理工大學(xué)、上海大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、山東大學(xué)七所學(xué)校成功舉辦，促進(jìn)了磁懸浮軸承在我國(guó)的發(fā)展?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)的磁懸浮軸承與世界有著一定的差距，但隨著科研人員的努力與創(chuàng)新，在磁軸承領(lǐng)域的差距也將逐漸消失。

3 磁軸承關(guān)鍵技術(shù)

3.1 磁軸承的建模與仿真

在分析磁軸承磁通時(shí)，等效磁路法經(jīng)常被應(yīng)用于主動(dòng)磁軸承與混合磁軸承的建模中，此方法最為經(jīng)典。該方法的原理為通過(guò)等效磁路圖來(lái)建立磁懸浮軸承懸浮力數(shù)學(xué)模型，依據(jù)理論計(jì)算以及工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)磁懸浮軸承進(jìn)行各參數(shù)的選定。但其是基于理想情況下的建模，忽略了鐵心磁阻、渦流損耗、鐵心材料飽和、邊緣效應(yīng)等因素的影響[13]。為了使電磁場(chǎng)特性進(jìn)行更加準(zhǔn)確的分析與計(jì)算，學(xué)者們對(duì)于傳統(tǒng)的等效磁路法進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。文獻(xiàn)[14]提出了一種考慮材料非線性以及渦流損耗影響的徑向磁軸承等效磁路法建模，但未考慮轉(zhuǎn)子振動(dòng)對(duì)磁軸承磁場(chǎng)分布的影響。文獻(xiàn)[15]在三極磁懸浮的建模中考慮到了邊際效應(yīng)的影響。經(jīng)過(guò)對(duì)比與分析，在模型的計(jì)算中加入了邊際效應(yīng)的影響后，計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)際磁懸浮力的誤差大大的減小，從而有效的提高了懸浮力模型的精準(zhǔn)度。

針對(duì)于交流磁懸浮軸承的建模，等效磁路法需要根據(jù)不同的磁軸承進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的建模，在使用時(shí)不夠簡(jiǎn)便。因此，為了提高建模的精準(zhǔn)性、直接且通用性，參考無(wú)軸承懸浮子系統(tǒng)的建模[16]，可以使用麥克斯韋張量法對(duì)交流磁軸承進(jìn)行建模。文獻(xiàn)[17]提出了一種通過(guò)采用麥克斯韋張量法對(duì)混合磁懸浮軸承進(jìn)行懸浮力建模的方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，與等效磁路相比，麥克斯韋張量法的建模更為精準(zhǔn)。但其只是對(duì)于兩個(gè)自由度的交流軸承進(jìn)行的建模，同時(shí)使用麥克斯韋張量法時(shí)，也存在著計(jì)及磁路飽和、磁阻損耗、邊際效應(yīng)等因素建模復(fù)雜的弊端。

3.2 磁軸承驅(qū)動(dòng)技術(shù)

磁軸承驅(qū)動(dòng)技術(shù)按驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分，可分為直流驅(qū)動(dòng)與交流驅(qū)動(dòng)。交流磁軸承的驅(qū)動(dòng)又可分為：三相逆變器驅(qū)動(dòng)與矩陣變換器驅(qū)動(dòng)[18]。

直流功率放大器驅(qū)動(dòng)使用較為廣泛，使用一個(gè)功率放大器對(duì)單個(gè)磁極進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每個(gè)自由度的正方向或負(fù)方向由一個(gè)功率放大器控制。由此可見(jiàn)，當(dāng)磁極較多時(shí)，需使用多個(gè)直流功率放大器，其具有著高成本、大體積的缺點(diǎn)。因此為了可以更少的使用直流功放的個(gè)數(shù)，達(dá)到低成本，小體積的目的，三相功率逆變器驅(qū)動(dòng)技術(shù)在磁軸承的驅(qū)動(dòng)方面受到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]通過(guò)一個(gè)三相逆變器代替了傳統(tǒng)的多個(gè)直流功放驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了磁懸浮設(shè)計(jì)的低成本，小體積的需求。

矩陣變換器是一種直接進(jìn)行交交變換的裝置，與傳統(tǒng)的交直交變換器相比，其可省略中間儲(chǔ)能的電容或電感[19]。同時(shí)，其有著能量雙向流動(dòng)、輸入功率因數(shù)為1、動(dòng)態(tài)性能好、維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電、航空航天、變流變頻調(diào)速等方面均得到了應(yīng)用。文獻(xiàn)[20]將矩陣變換器引入到了磁軸承運(yùn)動(dòng)控制裝置的驅(qū)動(dòng)中，通過(guò)采用雙滯環(huán)電流控制的方法，使得轉(zhuǎn)子在平衡位置可穩(wěn)定懸浮，輸入側(cè)的電流波形也得到了完善。這種裝置適用于所有三極的混合或主動(dòng)磁軸承。

3.3 磁軸承的控制技術(shù)

磁懸浮軸承的控制技術(shù)極大的決定了整個(gè)磁軸承系統(tǒng)的好壞，處于整個(gè)系統(tǒng)的核心地位?？刂葡到y(tǒng)決定了磁軸承系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能、轉(zhuǎn)子控制的精度、系統(tǒng)抗干擾能力以及受擾動(dòng)后的快恢復(fù)性等方面[21]。目前，常見(jiàn)的控制方法有：PID控制、反饋線性 化控制、魯棒控制、模糊控制、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[22]。其中PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于設(shè)計(jì)與參數(shù)的調(diào)整，其已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但常規(guī)的PID控制存在著超調(diào)量大、魯棒性差、穩(wěn)定性差、最優(yōu)PID的三個(gè)初始參數(shù)獲取困難的問(wèn)題，難以對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行較好的控制。為了使得磁軸承轉(zhuǎn)子得到更加有效的控制，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在各種智能算法或控制方法相結(jié)合方面進(jìn)行了深入的研究。

文獻(xiàn)[23]在PID控制的基礎(chǔ)上加入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值調(diào)整以及自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)獲取最優(yōu)的PID初始參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)受到一個(gè)小的擾動(dòng)偏差時(shí)，此系統(tǒng)比經(jīng)典的PID控制能更快的趨于穩(wěn)定。文獻(xiàn)[24]通過(guò)積分滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子四個(gè)自由度的控制，解決了傳統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制只能對(duì)單自由度控制的弊端。并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能好、受擾動(dòng)時(shí)有很好的快恢復(fù)性、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子幾乎無(wú)“抖振”的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[25]將PID控制與變論域模糊算法相結(jié)合，為了使得函數(shù)形式以及函數(shù)參數(shù)能系統(tǒng)的選擇，使用了模糊推理來(lái)設(shè)計(jì)伸縮因子。實(shí)驗(yàn)表明，這種控制方法與傳統(tǒng)的PID控制和模糊PID控制相比，動(dòng)、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性均有了顯著提高，使得魯棒性更好、控制精度更高。文獻(xiàn)[26]在變域論模糊PID控制的基礎(chǔ)上加入了遺傳算法的概念，通過(guò)遺傳算法對(duì)PID的三個(gè)初始值進(jìn)行了離線優(yōu)化，使得系統(tǒng)有著更好的動(dòng)靜穩(wěn)定性。

3.4 磁軸承的轉(zhuǎn)子位移檢測(cè)技術(shù)

轉(zhuǎn)子位移檢測(cè)技術(shù)在磁懸浮控制系統(tǒng)中至關(guān)重要，轉(zhuǎn)子位移檢測(cè)的優(yōu)劣很大程度上決定了磁軸承整體系統(tǒng)性能的好壞。目前的轉(zhuǎn)子位移檢測(cè)技術(shù)分為兩類：有傳感技術(shù)和無(wú)傳感技術(shù)。

目前，有傳感技術(shù)的使用較為廣泛，技術(shù)也較為成熟，具有著高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、高性能的優(yōu)點(diǎn)[27～28]。對(duì)于傳感器的選擇需要依據(jù)應(yīng)用的環(huán)境以及條件，同時(shí)也需考慮傳感器的靈敏性、線性度、熱穩(wěn)定性、抗干擾能力等性能指標(biāo)。但有傳感技術(shù)也存在著價(jià)格高、體積大的問(wèn)題，因此無(wú)傳感技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

磁懸浮的轉(zhuǎn)子位移自檢測(cè)技術(shù)最早由SIVADASAN[29]提出，通過(guò)電磁鐵線圈中電壓(或電流)信號(hào)間接得出轉(zhuǎn)子的位移，其具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①不需要造價(jià)高額的傳感器，降低成本。②省略了原所需器件的引線，減小了體積。③縮小轉(zhuǎn)子，提高了轉(zhuǎn)速，最大承載力也得到增加。④提高了磁軸承系統(tǒng)的可靠性。目前，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院已經(jīng)研制出了一款轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在8 000 r/min運(yùn)行下具有良好剛度以及阻尼特性的樣機(jī)。文獻(xiàn)[30]中Koichi M在三極主動(dòng)磁軸承的轉(zhuǎn)子位移與轉(zhuǎn)速的檢測(cè)時(shí)使用了卡爾曼濾波器的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際轉(zhuǎn)子位移誤差不大。文獻(xiàn)[31]中江蘇大學(xué)學(xué)者提出了一種基于SPSO算法優(yōu)化最小二乘支持向量機(jī)的六極徑向混合磁軸承轉(zhuǎn)子位移自檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)表明，此方法下轉(zhuǎn)子位移自檢測(cè)的預(yù)測(cè)值較為精確，并且有較強(qiáng)的抗干擾能力。

4 磁懸浮軸承的未來(lái)展望

目前，磁懸浮軸承技術(shù)在航空航天、生命科學(xué)、機(jī)械生產(chǎn)等領(lǐng)域均有了一定的應(yīng)用。但其也存在著成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以控制等問(wèn)題，為了可以使得磁懸浮軸承更加的可靠、高效、高性能，未來(lái)需要在以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究。

磁軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。一方面：采用永磁偏置混合磁軸承結(jié)構(gòu)，永磁體提供靜態(tài)偏磁磁場(chǎng)，減少磁軸承體積和功率損耗，降低成本；采用徑向-軸向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子三自由度懸浮的磁軸承結(jié)構(gòu)，縮小磁軸承軸向長(zhǎng)度，提高懸浮轉(zhuǎn)子臨界速度；進(jìn)而采用徑向-軸向混合磁軸承結(jié)構(gòu)，提高磁軸承性能，降低體積、功耗和成本。另一方面：為了進(jìn)一步降低功率放大器體積、數(shù)量和成本，磁懸浮軸承采用三極集中繞組結(jié)構(gòu)，采用三相逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)的直流驅(qū)動(dòng)式八極磁軸承相比，其功率損耗與體積都有明顯降低；但三極結(jié)構(gòu)存在明顯耦合和非線性，因此，為了降低耦合，提高磁懸浮軸承性能，提出徑向六極對(duì)稱結(jié)構(gòu)的磁軸承，其集成三極磁軸承優(yōu)點(diǎn)外，緊一步提高了磁軸承的性能[31]。

磁軸承的建模方面。在建立磁軸承懸浮數(shù)學(xué)模型時(shí)，考慮到渦流損耗、邊際效應(yīng)、鐵心材料是否飽和、轉(zhuǎn)子振動(dòng)等因素對(duì)于磁軸承磁場(chǎng)分布的影響，從而做到更加精準(zhǔn)的建模。

磁軸承的控制方面。通過(guò)現(xiàn)代控制理論的方法對(duì)磁懸浮軸承進(jìn)行更加可靠、高效的控制是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí)，如何使得磁軸承控制技術(shù)更加的智能化、集成化，并且降低功耗，也是未來(lái)學(xué)者們需要突破的技術(shù)。

磁軸承的驅(qū)動(dòng)方面。在各極磁軸承驅(qū)動(dòng)中均可引入三相逆變器代替直流功放，從而達(dá)到低成本、小體積的目的。因此通過(guò)三相功率逆變器驅(qū)動(dòng)三極磁軸承值得受到廣泛研究。同時(shí)，將矩陣變換器引入到各種極對(duì)數(shù)的交流磁軸承的驅(qū)動(dòng)，也是一種高效率、高性能的驅(qū)動(dòng)方法。

磁軸承的轉(zhuǎn)子位移監(jiān)測(cè)方面。無(wú)傳感技術(shù)雖然有許多優(yōu)勢(shì)，但是與有位移傳感器的磁懸浮軸承相比，存在著對(duì)轉(zhuǎn)子的控制精度不足、動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能不行、抗干擾能力差的問(wèn)題，因此在機(jī)械領(lǐng)域還未受到應(yīng)用。無(wú)傳感技術(shù)的優(yōu)化以及性能的提高也會(huì)是未來(lái)的重點(diǎn)研究方向之一。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文首先對(duì)磁軸承的工作原理與分類進(jìn)行了介紹，其次通過(guò)已有的文獻(xiàn)以及研究成果對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了概述，最后對(duì)磁懸浮軸承未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。磁懸浮軸承與傳統(tǒng)軸承相比具有著清潔、損耗小、壽命長(zhǎng)、高速的優(yōu)點(diǎn)，因此磁軸承在某些方面取代傳統(tǒng)機(jī)械軸承是必然的趨勢(shì)。目前，雖然磁懸浮軸承已經(jīng)得到了一定的發(fā)展及應(yīng)用，但如何使其能夠更好的應(yīng)用于生產(chǎn)、生活中，還需要國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的共同努力與研究。